Już Jan III kolekcjonował dzieła sztuki i piękne przedmioty użytkowe. Z jego zbiorów, w których znalazło się m.in. 6 obrazów Rembrandta, zachowało się wszakże niewiele. W obecnej kolekcji muzeum jedynie kilka dzieł możemy łączyć z mecenatem pierwszego właściciela wilanowskiego pałacu. Z dużą dozą prawdopodobieństwa możemy wymienić dwie wspaniałe martwe natury namalowane przez Abrahama van Mignona, obraz „Madonny z Dzieciątkiem i św. Janem Chrzcicielem”, pochodzący ze szkoły włoskiej, czy parę portretów konnych Jana III i Marii Kazimiery. Najcenniejszym dziełem pochodzącym z XVII wieku jest niewątpliwie zdobiący apartamenty królewskie unikatowy zespół plafonów pędzla nadwornego artysty Jerzego Szymonowicza-Siemiginowskiego, przedstawiający cztery pory roku. Towarzyszą mu wybitnej klasy dekoracje sztukatorskie Sypialni Króla i Królowej, których autorstwo wiązane jest z warsztatem Antonia i Pietra Pertich.
Kolejni właściciele pałacu w XVIII wieku uzupełniali kolekcję dzieł sztuki, kierując się zarówno smakiem artystycznym epoki, jak i historią rezydencji wilanowskiej. W 1805 roku zbiory zgromadzone w pałacu zostały udostępnione szerokiej publiczności dzięki Stanisławowi Kostce i Aleksandrze Potockim. Ich działania przyczyniły się w decydującym stopniu do stworzenia kolekcji wilanowskiej. Stanisław Kostka Potocki, polityk i działacz oświatowy, był również znanym architektem-amatorem, archeologiem i kolekcjonerem. Wśród jego zbiorów znalazły się znakomite przykłady malarstwa europejskiego i polskiego, wyroby złotnicze, biskwity, rzemiosło artystyczne, w tym imponująca kolekcja przedmiotów dalekowschodnich.
Potocki wyszukiwał również pamiątki związane z pierwszymi właścicielami pałacu, rodem Sobieskich. To z jego inicjatywy do wilanowskiej kolekcji trafiła bezcenna toaletka, należąca najprawdopodobniej do królowej Marii Kazimiery. Potocki nabył ją za niebagatelną sumę 300 ludwików w paryskim antykwariacie. Pozyskał również od spadkobierców króla Stanisława Augusta dwa wyjątkowej urody portreciki konne króla Jana III i królowej Marii Kazimiery, które stanowiły część wilanowskich zbiorów Sobieskich.
W bogatych zbiorach malarstwa znalazły się dzieła między innymi Lucasa Cranacha, Petera Paula Rubensa, Jana Lievensa, Eustache le Suera, Pompea Batoniego, Angeliki Kauffmann, Antona Graffa. Perłą kolekcji stał się – i pozostaje do dziś – „Portret konny Stanisława Kostki Potockiego” namalowany w 1781 roku przez wielkiego malarza francuskiego neoklasycyzmu, Jacquesa-Louisa Davida. To jedyne dzieło Davida w zbiorach polskich powstało w paryskiej pracowni mistrza na podstawie szkicu wykonanego zapewne przez innego artystę. Obraz pokazano na wystawie w Paryżu, gdzie zebrał pochlebne recenzje, między innymi od Denisa Diderota. Następnie przewieziono go do Warszawy.
Potomkowie Aleksandry i Stanisława Kostki Potockich powiększali wilanowskie zbiory, dostosowując jednocześnie wnętrza pałacu do potrzeb muzealnych. W XIX wieku powstały aranżacje Galerii Obrazów zwanej Muzeum, Gabinetu Etruskiego, mieszczącego niewielki fragment kolekcji waz antycznych, czy Pokojów Chińskich, w których obecnie znajdują się zbiory sztuki dalekowschodniej. Dziełem szczególnie cennym jest unikatowy stół typu nanban, z przepiękną dekoracją wykonaną z masy perłowej. To jeden z nielicznych zachowanych przykładów połączenia sztuki Dalekiego Wschodu z tradycją rzemiosła europejskiego.
Kolekcja wilanowska jest nieustająco powiększana, do najważniejszych powojennych nabytków należy zaliczyć wspaniały „Portret Marii Kazimiery z dziećmi” pędzla Jerzego Szymonowicza-Siemiginowskiego, czy pochodzące z pracowni Hyacinthe’a Rigaud portrety królewiczów Sobieskich – Aleksandra i Konstantego. Od roku 2012 część bogatych zbiorów wilanowskich dostępna jest w Google Art Project.