Tampereen taidemuseo hallinnoi Suomen toiseksi suurinta taidekokoelmaa, johon kuuluu 14 500 teosta ja useita alakokoelmia. Kansainvälisesti tunnetuin osa on Muumilaakson kokoelma, joka sisältää Tove Janssonin alkuperäispiirroksia ja Tuulikki Pietilän kuvaelmia.

Tampereen taidemuseo hallinnoi myös Tampereen kaupungin kokoelmia, jotka on sijoitettu virastoihin ja laitoksiin, kouluihin, päiväkoteihin, sairaaloihin ja muihin kaupungin omistamiin tai hallinnoimiin tiloihin. Kokoelmaan kuuluvat myös julkiset veistokset ja muistomerkit.