Il cuore della pinacoteca del museo è rappresentato dal nucleo di dipinti appartenenti al medico bellunese Antonio Giampiccoli, che donò alla città la sua collezione nel 1872. Insieme alla raccolta di Tomaso Antonio Catullo e ai bronzi della collezione di Florio Miari, il nucleo di dipinti che il medico bellunese Antonio Giampiccoli donò alla città nel 1872 costituisce il fondo più antico su cui è sorto il museo.

La storia dell'arte bellunese ha idealmente inizio con Simone da Cusighe. La sola opera databile sicuramente di questo maestro è un polittico oggi al museo della Cà d'oro (Venezia) un tempo sull'altare maggiore della chiesa di Col di Salce.

Il 5 aprile 1476 Lorenzo Valier, rettore della città di Belluno, che dal 1404 apparteneva ai territori della Repubblica Veneta, presentò al consiglio cittadino il modello per innalzare un nuovo palazzo per honor et amplitation de questa citade, sul lato occidentale dell'odierna piazza Duomo. L'edificio era il cuore delle istituzioni civili della città e sede deputata per le riunioni del Consiglio fino alla caduta della Serenissima nel 1797.

Matteo Cesa (Belluno, 1435/1440-1510/12) incarna perfettamente la polivalenza degli artisti bellunesi nell'età del Rinascimento. Egli fu capace di esprimersi con originalità sia in pittura sia nella scultura lignea, ambiti nei quali rivela l'attenzione con cui seppe aggiornarsi sulla produzione veneziana dei Vivarini nonché sui modelli padovani legati al magistero di Andrea Mantegna, come evidenzia il trittico qui esposto: sulla pedana del trono è presente un'iscrizione in latino, nello scomparto centrale, (OPVS MATEI) che ne certifica l'autografia.

Nel XVI secolo i linguaggi artistici presenti nel territorio bellunese rivelano l'influenza della bottega del grande protagonista del secolo, Tiziano Vecellio, nato a Pieve di Cadore.

Sullo scorcio del Cinquecento, una presenza significativa è quella di Jacopo Bassano, autore, intorno al 1570, del Martirio di San Lorenzo per la Cattedrale di Belluno e qui documentato da un’opera della bottega, che riprende un fortunato prototipo del maestro.

Nella pinacoteca Giampiccoli, che costituisce il nucleo originario delle collezioni civiche, erano presenti anche alcuni esemplari scelti di pittura veneta fra Seicento e Settecento, quali, ad esempio, il bel Ritratto di giovane di Vittore Ghislandi detto Fra’ Galgario – forse parte di un dipinto più grande – che rivela le grandi doti dell’arte del maestro bergamasco.

Il ritratto di Belluno a cavallo tra i due secoli.  Notevole per  ampiezza nella ripresa è La pianta prospettica di Domenico Falce, del 1690, realizzata in onore del rettore veneziano Antonio Boldù, del quale compare lo stemma.

Come Sebastiano Ricci diede una svolta decisiva alla grande pittura decorativa e di storia, innovandola in chiave settecentesca e rococò, così il nipote Marco, anch'egli bellunese, trasformò la pittura di paesaggio, conducendola dai risalti chiaroscurali della stagione barocca a una dimensione libera, tersa e potremmo dire ‘meteorologica’ della natura.

Sebastiano Ricci ebbe, insieme ad Antonio Pellegrini e Jacopo Amigoni, un ruolo decisivo per la trasformazione in chiave settecentesca della pittura veneta.