Lo spazio espositivo della pinacoteca nasce all'interno del perimetro dell'ex regio arsenale militare dopo essere stata ospitata a partire dalla fine dell'Ottocento nel palazzo delle Seziate e chiusa al pubblico per più di un secolo. La mostra è allestita dal 1992 all'interno del complesso della Cittadella dei musei.

Il primo nucleo della collezione si formò dopo il 1866 in seguito alle leggi di soppressione degli enti ecclesiastici, che fecero confluire nel patrimonio dello Stato numerose opere pittoriche, e alla distruzione della chiesa di San Francesco di Stampace nel 1875. La collezione etnografica si è invece formata all'inizio del Novecento.

Nelle sale della Pinacoteca sono ospitati dipinti di artisti sardi dal Cinquecento al Novecento, opere pittoriche dei secoli XV-XVIII di scuola genovese, napoletana e romana e una raccolta di retabli sardi e catalani del '400 e '500.

L'intero patrimonio della Pinacoteca consta di ben 1272 pezzi, tra dipinti, oreficeria, tessuti e ricami, materiale lapideo e stemmi, armi, arredo domestico, cestini e intrecci, ceramiche, arredo liturgico e sculture.