Le collezioni della Pinacoteca sono ripartite in due sezioni: la Sezione Antica e la Galleria d'Arte Moderna. La Sezione Antica presenta un'ampia panoramica d'arte e storia dall'età romana al secolo XVIII: mosaici, lapidi, sculture ed epigrafi romane ed altomedievali.

La parte più consistente e qualificata delle raccolte è costituita da dipinti e sculture che consentono di percorrere cinque secoli d'arte faentina e italiana. I fondi del '200 e '300 sono ridotti, ma di grande valore. Ben più ampio è il panorama offerto dalle opere del '400 e '500; oltre alle tavole tardogotiche, grande rilevo occupano gli artisti che hanno diffuso il Rinascimento a Faenza: Biagio d'Antonio, Giovanni Battista Bertucci il Vecchio, Marco Palmezzano, Donatello e il Maestro della Pala Bertoni.

Imponente è la raccolta di pale d'altare del '500 e '600 "emigrate" dalle chiese di Faenza: documentano la vitalità della cultura artistica nell'ambito del manierismo che culmina in Ferraù Fenzoni, l'artista che fa da ponte verso il secolo barocco. Fra i nuclei tematici di maggiore spicco: le nature morte di Giovanni Battista Ruoppolo, Felice Boselli, Arcangelo Resani, Carlo Magini, Francesco Guardi, con i quali si entra nel sec. XVIII. 

Il primo nucleo della Galleria d'Arte Moderna si costituisce nel 1879, allorché F. Argnani si preoccupò di inserire nel percorso espositivo anche alcune opere di autori contemporanei. Nei decenni successivi - grazie ad acquisti e soprattutto a donazioni sempre più numerose - i fondi di pittura e scultura dell'800 e '900 sono cresciuti a tal punto da porre il problema di spazi espositivi adeguati.
I fondi sono raggruppati per scuole e tendenze storico-stilistiche: Neoclassicismo e Purismo (Felice Giani, Michele Sangiorgi, Tommaso Minardi, Pietro Piani); Romanticismo e Realismo (Romolo Liverani, Massimo D'Azeglio, Giovanni Fattori, Antonio Berti, Tommaso Dalpozzo ed altri comprimari di interesse locale). Di recente acquisizione alcuni dipinti di scuola francese dell'800, a cui si affiancano le due sculture di Auguste. Rodin.

Di straordinario rilievo il fondo delle opere di Domenico Baccarini, il protagonista dell'intenso rinnovamento artistico dei primi anni del '900, e dei suoi amici e coetanei (il Cenacolo Baccariniano), che ne prolungarono per più di mezzo secolo la lezione innovatrice. Oltre a questo nucleo sono presenti opere di maestri del '900 italiano (Giorgio Morandi, Arturo Martini, Filippo De Pisis) e di autori faentini e romagnoli.

Ricordiamo infine il Gabinetto Disegni e Stampe: già il nucleo iniziale della Pinacoteca, costituito dalla collezione di Giuseppe Zauli, comprendeva una consistente raccolta di stampe e disegni. Da allora fino ad oggi il fondo di grafica è aumentato fino a raggiungere dimensioni notevoli, quantificabili in circa 20.000 fogli. Sono presenti i nomi più alti dell'incisione europea, da Albrecht Dürer fino ai contemporanei.