Dal 1884 la Galleria ha trovato sistemazione nel Palazzo dei Musei, già grande Albergo dei Poveri, progettato dall'architetto Pietro Termanini per incarico di Francesco III e terminato nel 1771. 

Dalla fine del 1800 ad oggi le raccolte, ospitate all'ultimo piano dell'edificio, hanno subito diverse sistemazioni dettate da formule espositive diversificate. Da Adolfo Venturi, primo ordinatore della Galleria, a Serafino Ricci, a Roberto Salvini, a Rodolfo Pallucchini, fino ai conservatori più recenti, solo una parte dei materiali ha potuto essere esposta al pubblico: ancora oggi, dopo la trasformazione ambientale degli anni settanta, interi nuclei non sono infatti visibili per ragioni di spazio. 

Attualmente la Galleria, riqualificata razionalmente è munita di tutte le strumentazioni e gli impianti idonei alla miglior conservazione delle opere e comprende venti sale espositive. È dotata di apparati didascalici e didattici e può contare su di una guida-itinerario illustrata per il visitatore.

La Pinacoteca comprende dipinti, disegni, oggetti, bronzi e medaglie appartenuti alla famiglia ducale e pervenuti a Modena in seguito al trasferimento della corte nella nuova capitale. Depauperata nel 1746 in seguito alla vendita di cento capolavori all'elettore di Sassonia per la somma di centomila zecchini, venne successivamente rimpinguata con nuove acquisizioni. Presenta oggi numerosi capolavori, fondi oro, tavole dei maestri fiamminghi e della pittura veneta ed emiliana. Spiccano tra gli altri il busto di Francesco I del Bernini, il ritratto del duca del Velasquez, il trittico di El Greco e i dipinti di Correggio, Tintoretto, Veronese, Guido Reni, Guercino, Salvator Rosa tra i più noti.