Taidemuseo hoitaa kahta pääkokoelmaa, Oulun taidemuseon kokoelmaa ja Oulun kaupungin kokoelmaa sekä kymmentä nimettyä alakokoelmaa. Nykyisin kokoelmissa on lähes 4900 teosta.
Taidemuseon kokoelma sisältää teoksia erityisesti Oulun ja Pohjois-Pohjanmaan alueella nykyisin tai aiemmin vaikuttaneilta kuvataiteilijoilta. Lisäksi kokoelmassa on monentyyppistä kotimaista, lähinnä 1900–2000-lukujen taidetta hankintojen pääpainon ollessa nykytaiteessa.
Kokoelman erityisteemoja ovat taiteilijoiden omakuvat, pohjoisuus ja naivistinen taide, jonka kartuttaminen sai alkunsa Heinäsen taidesäätiön lahjoituksesta vuonna 1987. Kokoelmahankintoja ohjaavat myös tutkimus- ja näyttelytoimintaan liittyvät tarpeet.
Oulun kaupungin kokoelma tuo taiteen ihmisten arkeen, työpaikoille, käyntikohteisiin ja kulkureittien varrelle. Jatkuvasti karttuvaan kokoelmaan kuuluu lähes 1800 taideteosta, joita taidemuseo sijoittaa kaupungin toimitiloihin, virastoihin, kirjastoihin, kouluihin ja päiväkoteihin.
Yleisten alueiden julkiset ulkoteokset ja -veistokset sekä prosenttiperiaatteella puolijulkisiin tai kaikille avoimiin sisä- ja ulkotiloihin hankitut tilausteokset kuuluvat myös kaupungin kokoelmaan. Tilausteosten hankinnoissa huomioidaan monipuolisesti ajankohtainen alueellinen ja valtakunnallinen nykytaide.
