Музей открыт с 1961 года. Основой коллекции музея стало собрание произведений академика живописи, одного из интереснейших представителей позднего передвижничества Лукиана Васильевича Попова (1873—1914), работавшего в Оренбурге в конце XIX – начале XX века.
В собрании музея хранятся произведения древнерусского, русского, советского и западноевропейского искусства, начиная с конца XVI века до наших дней, в том числе живопись, графика, скульптура, декоративно-прикладное искусство. В залах русского искусства представлены произведения художников Ивана Айвазовского, Филиппа Малявина, Василия Поленова, Алексея Саврасова, Сергея Герасимова, Сергея Конёнкова, Николая Ромадина и других.
Основная концепция музея — отражение художественной жизни края в общем контексте развития русской национальной культуры. Значительное место в собрании занимают произведения оренбургских живописцев, а также экспонаты, так или иначе связанные с местной историей и культурой. Музей сегодня – это полное представление о художественной жизни Оренбургского края с дореволюционных времен до наших дней.
В музее изобразительных искусств представлены почти все художественные промыслы Уральского региона, среди них — уникальная коллекция всемирно известного оренбургского пухового платка (шали и ажурные паутинки).
Музей осуществляет активную собирательскую, научную и популяризаторскую деятельность, организует широкий спектр выставок, лекций, образовательных программ, является одним из важнейших культурных центров Оренбурга и области.