Depuis 1884, la galerie est hébergée dans le Palazzo dei Musei, un ancien logis, conçue par l'architecte Pietro Termanini à la demande de François III et achevée en 1771.

Depuis la fin des années 1800, les collections sont conservées. au dernier étage du bâtiment, ont plusieurs fois changé les arrangements dictés par des formules d’exposition diversifiées.

D'Adolfo Venturi, premier conservateur de la Galerie, à Serafino Ricci, Roberto Salvini et Rodolfo Pallucchini aux plus récents conservateurs, seule une partie des œuvres a pu être exposée au public: toujours aujourd'hui, après le transformation des années soixante-dix, des noyaux entiers ne peuvent pas être vus pour des raisons d'espace.

Actuellement, la Galerie modernisée de manière rationnelle est dotée de tous les outils et systèmes nécessaires pour préserver au mieux les œuvres. La galerie de tableaux comprend des peintures, des dessins, des objets, des bronzes et des médailles qui appartenaient à la famille ducale et qui sont arrivés à Modène lorsque la cour s’est installée dans la nouvelle capitale. Dépauché en 1746 à la suite de la vente de cent chefs-d’œuvre à l’électeur de Sassonia pour un montant de cent mille paillettes, il s’enrichit par la suite de nouvelles acquisitions.

Il contient aujourd'hui de nombreux chefs-d'œuvre, des pièces d'or, des tablettes des maîtres flamands et des peintures vénitienne et émilienne. Entre autres, on distingue le buste de François Ier de Bernini, le portrait du duc de Velasquez, le triptyque du Greco et les peintures du Correggio, du Tintoret, de Veronese, de Guido Reni, de Guercino et de Salvator Rosa parmi les plus connues.