Структура собрания художественного музея состоит из четырех основных отделов: живопись, графика, декоративно-прикладное искусство и скульптура. Произведения позволяют проследить процессы развития советского и постсоветского искусства и хронологически охватывают период с 1940-х годов по настоящее время.
Формирование живописной и графической коллекций началось с работ, переданных музею Художественным фондом РСФСР, Московским комбинатом живописного искусства и Белгородским фондом культуры. В дальнейшем коллекция пополнялась картинами современных авторов Черноземья.
Музейная коллекция гордится произведениями народных художников РСФСР: Н. Я. Бута, К. М. Максимова, А. И. Курнакова, А. П. Мамонтова; заслуженных художников РСФСР: М. А. Маторина, В. В. Пименова, В. И. Рейхета; лауреатов государственных премий СССР: М. А. Суздальцева, А. И. Курнакова, С. С. Косенкова. Достойное место в отделе современного искусства занимает творчество старооскольских художников: И. Н. Хегая, П. С. Шляпникова, В. В. Голышева, Ю. И. Болотова, Е. М. Марковой.
Работа над формированием коллекции Старооскольского художественного музея продолжается.
