Attivo dal 1934, il museo è l'evoluzione della Pinacoteca Regia e della Galleria Reale voluti nel 1832, internamente all'edificio di Palazzo Madama, da Carlo Alberto di Savoia. Dal 1863, le collezioni ad allora disponibili vennero trasferite in una succursale, in via Gaudenzio Ferrari. Ad esse sono state poi aggiunte quelle via via acquisite grazie ad iniziative del governo cittadino, lasciti da parte di privati, acquisizioni dalle residenze sabaude dismesse e donazioni di Casa Savoia.

Nel 1898 le raccolte di arte contemporanea vennero separate da quelle di arte antica. Queste ultime vennero poi trasferite nel 1934 appunto nella sede di Palazzo Madama, a disposizione del nuovo museo di arte antica, per volere dell'allora direttore Vittorio Viale.

Suddiviso in trentacinque sale, il museo è formato da quattro piani (collegati tra loro con un ascensore) più un piano panoramico. Nel piano seminterrato si trova l'arte medievale; il piano terra è destinato all'arte del periodo gotico e del rinascimento; il primo piano (o piano nobile) ospita opere del periodo barocco; il secondo piano è dedicato all'arte della decorazione.

Le collezioni custodite al suo interno comprendono oltre settantamila opere. Troviamo opere pittoriche e scultoree, ceramiche, porcellane e maioliche e avori, ori e argenti, oltre ad arredi e tessuti. Nella quattrocentesca torre denominata Torre dei Tesori sono esposte alcune delle opere più rappresentative del museo: il Ritratto d'uomo di Antonello da Messina, il codice delle Très belles Heures de Notre Dame de Jean de Berry oltre ad una serie di oggetti artistici provenienti dal Gabinetto delle meraviglie di Carlo Emanuele I di Savoia.