El MAM resguarda uno de los mayores acervos de arte mexicano del siglo XX, conformado por alrededor de 3 mil pinturas, esculturas, fotografías, dibujos y grabados en constante proceso de catalogación e integración. Tal y como hoy se conoce, la colección no corresponde al acervo original. En 1974, la colección formada por Alvar Carrillo Gil dejó de estar en custodia del mam para integrarse definitivamente y de manera independiente al Museo de Arte Carrillo Gil. Por otro lado, en 1981 se cedieron al Museo Nacional de Arte obras del siglo XIX que representan un antecedente o una transición a las vanguardias del siglo XX.
La primera mitad del siglo xx está representada por cerca de 358 obras. Muchas de ellas proviene de las décadas de 1930, 1940 y 1950, y pertenecen a Ángel Zárraga, Gerardo Murillo (Dr. Atl), Roberto Montenegro, Diego Rivera, David Alfaro Siqueiros, José Clemente Orozco, Abraham Ángel, Manuel Rodríguez Lozano, Frida Kahlo, Carlos Orozco Romero y Rufino Tamayo; y a otros miembros en la Escuela Mexicana de Pintura como Julio Castellanos, María Izquierdo, Luis Ortiz Monasterio, Agustín Lazo y Juan O´Gorman. Hay también obra fotográfica de Manuel Álvarez Bravo, Tina Modotti y Edward Weston.
La colección del MAM ofrece un panorama de los procesos artísticos que siguieron al muralismo y la Escuela Mexicana de Pintura. Nos referimos a la llamada Ruptura, con artistas como Lilia Carrillo, Fernando García Ponce, Vicente Rojo, Pedro Coronel, Manuel Felguérez y José Luis Cuevas, y a quienes, junto a ellos, pelearon por un arte con mayor amplitud de miras e ideológicamente libre: Juan Soriano, Arnaldo Coen, Alberto Gironella, Gunther Gerzso, Mathias Goeritz, Carlos Mérida, Kasuya Sakai y Vlady. Las generaciones posteriores están representadas por Gilberto Aceves Navarro, Enrique Guzmán, Helen Escobedo, Feliciano Béjar, Martha Palau, Julio Galán, Francisco Toledo, Germán Venegas, Francisco Castro Leñero, Gustavo Monroy, Ivonne Domenge, Fernando García Correa, Daniel Lezama y Beatriz Ezban.
Conforme a su vocación de promotora e investigadora de nuevas propuestas, la colección ha integrado a artistas como Patricia Aridjis, Miguel Calderón y Pablo López Luz.
En 2002, el MAM recibió la donación de la Colección Isabel Gruen Varsoviano, integrada por 38 pinturas y dibujos de la pintora surrealista Remedios Varo; pertenecen principalmente a la década de 1950, cuando realizó lo más representativo de su producción. Este conjunto integra el panorama de la inmigración surrealista de la posguerra en México junto a las piezas de Alice Rahon y Leonora Carrington
En 1973, el MAM adquirió 400 obras de Manuel Álvarez Bravo; son el acervo más importante de su obra reunida en un museo del INBA. En efecto, este conjunto abarca cerca de cinco décadas de producción: desde 1925 (Corona de espinas de Santa María del Tule, Oaxaca) hasta 1972 (Chozas chamulas). A partir de esta adquisición, el MAM ha contribuido a difundir y preservar la obra de este imprescindible fotógrafo mexicano.
De modo paralelo a dicha adquisición, Manuel Álvarez Bravo donó un valioso fondo de fotografías, entre las cuales se hallan cinco de Edward Weston, tres de Tina Modotti y cuatro de Henri Cartier Bresson; pertenecen a los periodos más activos de su carrera. El conjunto se enriquece con 19 daguerrotipos, 21 ambrotipos, seis ferrotipos y dos talbotipos, más cinco álbumes de fotografía antigua y una de las pocas cámaras de Daguerre que quedan en el mundo y que perteneció a Manuel Álvarez Bravo.
En 2008, el MAM constituyó un significativo patrimonio de obra fotográfica del siglo XX. Las 49 obras de 23 autores mexicanos, que van desde las primeras vanguardias, la fotografía documental y el fotoperiodismo hasta las últimas décadas del siglo xx, se suman al cuerpo de fotografías de Manuel Álvarez Bravo adquirido en la década de 1970 y conforman una sólida visión del siglo XX mexicano. Este valioso núcleo dentro de la colección del MAM cuenta con autores como Héctor García, Lola Álvarez Bravo, Nacho López, Antonio Caballero, los hermanos Mayo, Rodrigo Moya, Agustín Jiménez, Graciela Iturbide, Pablo Ortiz Monasterio y Rubén Ortiz Torres, entre otros.