Zbiory, gromadzone przede wszystkim pod kątem wartości ikonograficznej, obejmują następujące zespoły:
Zbiory Działu Sztuki prezentowane są na organizowanych przez Ossolineum wystawach czasowych. Udostępniane są również polskim i zagranicznym instytucjom muzealnym.
Oprócz zbiorów specjalnych Dział Sztuki posiada także księgozbiór podręczny, głównie z zakresu historii sztuki i fotografii, dostępny w czytelni. Zasady udostępniania zarówno zbiorów specjalnych, jak i książek reguluje Regulamin czytelni Działu Sztuki.
Najważniejszy i najcenniejszy fragment obecnej kolekcji Działu Sztuki stanowią obiekty pochodzące z przedwojennych zasobów Muzeum Lubomirskich we Lwowie.
Józef Maksymilian Ossoliński, pragnąc poszerzyć profil ufundowanego przez siebie Zakładu o pamiątki historyczne związane z dziejami narodu polskiego oraz o zbiory artystyczne, zrealizował swój zamysł, zawierając 25 grudnia 1823 roku układ z księciem Henrykiem Lubomirskim (1777-1850). W wyniku połączenia kolekcji dzieł sztuki Ossolińskiego i Lubomirskiego miał powstać nowy oddział Zakładu o nazwie Musaeum Lubomirscianum.
Realizacja tego projektu napotkała na liczne przeszkody ze strony administracji austriackiej, ale przyjęcie z entuzjazmem przez naród tej inicjatywy spowodowało, że ideę realizowano jeszcze przed jej sformalizowaniem. Do Ossolineum napływały przeznaczone dla Muzeum dary, takie jak np. cenne rysunki obce z przekazów hr. Ignacego Skarbka i Karola Kühnla.
Dopiero w 1866 roku Jerzemu Henrykowi Lubomirskiemu (1817-1872), synowi fundatora Muzeum, udało się zrealizować zamiar ojca i ustanowić Ordynację Przeworską Książąt Lubomirskich związaną z Zakładem Narodowym, co było warunkiem utworzenia Muzeum. W 1869 roku część zbiorów Lubomirskich przewieziono z Przeworska do Lwowa, a w roku następnym, łącznie z innymi zbiorami przekazanymi wcześniej, udostępniono je publiczności w nowo otwartym Muzeum. Zasoby muzealne były systematycznie powiększane (głównie dzięki darom), organizowano wystawy, wydawano przewodniki i katalogi. Ze zbiorami artystycznymi publiczność mogła zapoznać się w Galerii Obrazów i w Gabinecie Rycin.
W 1921 roku do Ossolineum trafiła kolekcja Gwalberta Pawlikowskiego (1793-1852), przekazana przez wnuka zbieracza Jana Gwalberta (1860-1939), zawierająca ponad 25000 rycin i rysunków, a ponadto bibliotekę, zbiór rękopisów, map, monet i pieczęci. Stała się ona osobnym oddziałem Ossolineum – Biblioteką Pawlikowskich.
W 1929 roku na mocy wyroku sądowego do Muzeum włączono, pozostający wówczas w Rzeszowie w charakterze depozytu, zbiór 243 obrazów zgromadzonych przez Łukasza Dąmbskiego (zm. 1824). W 1939 roku Muzeum wzbogaciło się o zespół grafiki europejskiej (głównie angielskiej) z zapisu Leona Pinińskiego (1857-1938).
Od 1924 r. Muzeum Lubomirskich kierował wybitny historyk sztuki Mieczysław Gębarowicz (1893-1984), który równocześnie był opiekunem Biblioteki Pawlikowskich.
Po zajęciu Lwowa przez wojska radzieckie, Zakład został upaństwowiony, a muzeum zlikwidowane. Zbiory grafiki, rysunku i fotografii pozostały w Ossolineum – włączonym do Lwowskiej Filii Biblioteki Akademii Nauk ZSRR, resztę zaś obiektów podzielono między różne ukraińskie instytucje kulturalne, takie jak Lwowska Galeria Obrazów, Muzeum Historyczne i Muzeum Przemysłowe. Przekazywanie zbiorów, przeprowadzane w warunkach chaosu organizacyjnego i bez zachowania właściwych warunków konserwatorskich, miało na celu rozbicie polskich kolekcji artystycznych i zatarcie ich proweniencji.
Okupacja niemiecka przyniosła kolejną, dotkliwą stratę, jaką było wywiezienie przez Niemców w 1941 roku kolekcji rysunków Albrechta Dürera.
Wiosną 1944 roku, zorganizowano dwa transporty najcenniejszych zbiorów Ossolineum. Zawierały one m. in. 2371 grafik i rysunków, w tym zespół rysunków mistrzów europejskich z kolekcji Henryka Lubomirskiego, które dołączono do niemieckich transportów ewakuacyjnych kierowanych ze Lwowa do Krakowa.
Obiekty ze zbiorów Muzeum Lubomirskich oraz część zbiorów artystycznych Biblioteki Pawlikowskich, odnalezione po wojnie częściowo w Krakowie, częściowo w Zagrodnie na Dolnym Śląsku, zostały przekazane do Ossolineum odrodzonego we Wrocławiu, gdzie stały się zaczątkiem kolekcji ówczesnych Gabinetów Grafiki (obecnie Dział Sztuki) i Numizmatyczno-Sfragistycznego (obecnie Dział Numizmatyczny).
Zasoby lwowskie, które weszły w skład Działu Sztuki ZNiO we Wrocławiu, to zespół ok. 700 rysunków obcych z kolekcji Henryka Lubomirskiego, Skarbka i częściowo Kühnla; ponad 1600 rysunków ze zbiorów Pawlikowskich z działu „oryginalnych prac artystów polskich” od litery D do S, bez rysunków Chodowieckiego i Smuglewicza; fragment kolekcji grafiki (sztychy obce po Pinińskim oraz kilkaset rycin polskich z okresu międzywojennego) oraz kolekcja 218 miniatur portretowych. We Lwowie pozostało m.in. malarstwo – w większości w Lwowskiej Galerii Obrazów (obecnie Lwowska Galeria Sztuki) oraz część zbiorów grafiki i rysunku (m.in. zespół rysunków Daniela Chodowieckiego) w obecnej Bibliotece im. Stefanyka.
Liczba zbiorów Działu Sztuki (wcześniej Dział Ikonograficzny, potem Gabinet Grafiki), dzięki zakupom i darom, wzrastała bardzo szybko. Stworzono niemal od podstaw duże kolekcje ekslibrisów oraz fotografii i kart pocztowych. Zgodnie z profilem gromadzenia, do działu nabywano przede wszystkim obiekty ikonograficznie związane z Kresami oraz polską historią i kulturą. Gromadzono również obiekty cenne pod względem wartości artystycznej. Na początku XXI w. dział otrzymał w darze niezwykle cenną kolekcję dzieł sztuki ze zbioru Jana i Jadwigi Nowak-Jeziorańskich obejmującą m. in. obrazy, rysunki i grafiki.
Po uchwaleniu 5 stycznia 1995 roku przez Sejm Rzeczypospolitej Polskiej ustawy O fundacji – Zakład Narodowy im. Ossolińskich i stworzeniu nowej struktury organizacyjnej Ossolineum, w 1997 r. ówczesne Gabinety Grafiki i Numizmatyczno-Sfragistyczny połączono w jeden oddział Zakładu Narodowego o nazwie Muzeum Książąt Lubomirskich. Pod koniec 2016 r. nastąpiła zmiana nazwy Gabinetu Grafiki na Dział Sztuki.
Po przywróceniu Ossolineum statusu odpowiadającego formule, w jakiej działało przed II wojną światową, podjęto intensywne działania zmierzające do odzyskania zbiorów utraconych po 1939 r., przede wszystkim tych, które zostały przejęte przez instytucje ukraińskie. W 1997 r. Pełnomocnik Rządu do spraw Polskiego Dziedzictwa Kulturalnego za Granicą wystosował do władz ukraińskich wniosek rewindykacyjny, w którym wystapił o restytucję zbiorów Ossolineum. W dokumencie tym wyliczono m.in. dzieła sztuki ze zbiorów Muzeum Lubomirskich i Biblioteki Pawlikowskich. W 2001 r. wysłano również wnioski rewindykacyjne dotyczące zwrotu rysunków Dürera znajdujących się w różnych zbiorach europejskich i amerykańskich. Działania te w pełni popierane są przez spadkobierców Andrzeja Lubomirskiego, ostatniego ordynata przeworskiego i kuratora literackiego Ossolineum, którzy w dniu 17 września 2002 r. podpisali z dyrektorem Zakładu dr. Adolfem Juzwenką Uroczyste postanowienie. W tym dokumencie zadeklarowano m.in. „doprowadzić do odtworzenia Muzeum Lubomirskich w ramach Ossolineum i przywrócić mu dawną świetność” oraz „podjąć wszelkie możliwe działania, zmierzające do odzyskania eksponatów, które wolą Henryka Lubomirskiego i jego następców, zostały przekazane do Muzeum Lubomirskich” .
Podjęto również starania o przywrócenie Ossolineum tytułu własności do obrazów, które przed wojną wchodziły w skład zbiorów Muzeum Lubomirskich, a obecnie znajdują się w posiadaniu różnych polskich muzeów. Dotyczy to m.in. obrazów stanowiących Galerię Dąmbskich (obecnie w Muzeum Okręgowym w Rzeszowie – w 2001 r. wysłano wniosek rewindykacyjny obejmujący łącznie ponad 200 obiektów), Unii Lubelskiej Jana Matejki (w 2001 r. wysłano wniosek do Muzeum Narodowego w Warszawie) oraz 4 portretów Juliusza Słowackiego i członków jego rodziny (wniosek rewindykacyjny wysłano do Muzeum Literatury im. Adama Mickiewicza w Warszawie.) Pozytywnym efektem tej akcji jest powrót do Ossolineum w 2003 r. (wprawdzie na zasadzie czasowego depozytu) 48 (z 74) obiektów ze zbiorów Muzeum Lubomirskich, które po wojnie trafiły do Muzeum Narodowego we Wrocławiu.