La pinacoteca di Palazzo Thiene raccoglie una collezione di dipinti dal XV° al XIX° di grandi maestri veneti acquisiti da Banca Popolare di Vicenza nel corso degli anni.

Il quattrocento è documentato da due protagonisti come Bartolomeo Montagna e Giovanni Bonconsiglio. Per il cinquecento, le presenze si sviluppano intorno a Jacopo Bassano e alla sua scuola. La perla dell'intera collezione è rappresentata dalla "Madonna col bambino di San Giovannino". Per lo stesso secolo non va dimenticata la presenza di un "Ritratto di gentildonna in piedi", dipinto dal veronese Domenico Riccio, detto Brusasorci. Ulteriori opere cinquecentesche sono i 5 dipinti di Jacopo e Domenico Tintoretto .

Il seicento è rappresentato da artisti quali il vicentino Pietro Vecchia e Giulio Carpioni, ai quali sono state dedicate due intere sale del palazzo, e dal vicentino Francesco Maffei con i dipinti l'"Andata al Calvario" e la "Caduta di San Paolo".

Marco Ricci, Giannantonio Pellegrino, Gaspare Dizioni e il grande Giandomenico Tiepolo, con un tipica e caratteristica "Testa di Vecchio", sono i principali artisti rappresentativi del settecento veneto. L'ottocento presenta tra gli altri le opere di Carlo Ferrarin, Noè Bordignon e Alessandro Zezzos.

Il Piccolo Museo Remondini, raccoglie la collezione, unica nel suo genere, di stampe settecentesche dei Remondini costituita da circa 300 incisioni, di cui 50 facenti parte di un campionario legato e oltre 100 vedute ottiche di città d'Italia e d'Europa.

La collezione Arturo Martini, costituita da 16 sculture, tra le opere presenti il "Pegaso caduto", gli undici gessi originali provenienti dal "Gruppo di Blevio", il gesso patinato "Morte di Saffo" e la terracotta "Lo zio" del 1926-27.