Nella cornice tardo barocca del Palazzo Brera, ha sede l'omonima Pinacoteca. Le collezioni includono diversi dipinti requisiti in età teresiana prima e napoleonica poi. Fra le opere vi sono il celebre Sposalizio della Vergine di Raffaello Sanzio, la Madonna col Bambino di Giovanni Bellini, la Crocifissione di Bramantino e dipinti dei pittori fiamminghi Rubens, Joardens, Van Dyck e Rembrandt. Da chiese milanesi e lombarde sono giunti inoltre affreschi di autori quali Bernardino Luini, Gaudenzio Ferrari, Vincenzo Foppa, Bergognone e Bramantino. Vi sono importanti opere di Correggio, Pietro Longhi, Piazzetta, Tiepolo, Canaletto e Fattori, nonché la Cena in Emmaus di Caravaggio e il Pergolato di Silvestro Lega, acquistati grazie all'Associazione Amici di Brera e dei Musei milanesi.

A causa dei pesanti bombardamenti che colpirono Milano nel 1943, Palazzo Brera fu molto danneggiato. La Pinacoteca, con un nuovo allestimento di Pietro Portaluppi, riaprì nel 1950. Negli anni Settanta, Emilio e Maria Jesi donarono al museo alcune opere dei maggiori artisti del primo Novecento, fra cui Boccioni, Braque, Carrà, De Pisis, Marino Marini, Modigliani e Morandi, mentre una parte della collezione di Lamberto ed America Vitali fu affidata al museo nel 2001.