Osim što je brojčano dosta bogata, umjetničku zbirku karakteriše i vremenski raspon u kojem su djela nastajala, a obuhvata skoro 5 vijekova (najstarije ikone iz 16. stoljeća do umjetničkih djela savremenih autora).

Umjetnička zbirka ima nekoliko tematskih cjelina: ikone, portreti gradonačelnika i sarajevskih građana, autoportreti sarajevskih slikara, pejzaži i vedute Sarajeva i kolekcija savremene umjetnosti (slikarstvo, skulptura, grafika i crtež). Pored navedenih cjelina u zbirci se nalaze karikature i akvareli.
Umjetnička zbirka Muzeja Sarajeva predstavlja jednu od najrespektabilnijih kolekcija umjetničkih djela različitih autora od kraja 16 st. do danas. U njoj su našli mjesta svi eminentni umjetnici koji su radili i stvarali, izlagali, kratko boravili ili se trajno nastanjivali u Sarajevu.
Muzej u svojoj zbirci broji oko 1.100 umjetničkih slika, grafika, crteža, ikona, skulptura, bronzi i instalacija poznatih bosanskohercegovačkih i stranih autora. Napomenimo samo neke: Špiro Bocarić, Petar Tješić, Gabrijel Jurkić, Karlo Mijić, Petar Šain, Rizah Štetić, Todor Švrakić, Ivo Šeremet, Ismet Mujezinović, Đoko Mazalić, Behaudin Selmanović, Vojo Dimiitrijević, Mica Todorović, Alija Kučukalić, Boško Kučanski, Ljubo Lah, Mersad Berber, Dževad Hozo, Safet Zec, Ratko Lalić, Milivoj Unković, Nada Pivac, Nusret Pašić, Mustafa Skopljak, Salem Obralić, Petar Valdeg i drugi…