Aperta nel 1851 in Palazzo Tosio, la prima pinacoteca fu costituita con le ricche collezioni artistiche, legate nel 1832 dal conte Paolo Tosio e con dipinti e oggetti provenienti da altri legati e da edifici sacri soppressi o demoliti. Nel 1884 il Conte Leopardo Martinengo da Barco lasciò al Comune la biblioteca, le collezioni scientifiche e d'arte e il proprio palazzo (ristrutturato nei secoli XVII-XVIII su un edificio cinquecentesco) dove, nel 1908, le due pinacoteche si fusero nella Tosio Martinengo. 

La facciata ovest si apre sulla piazza dove, nel 1898, fu eretto, ad opera dello scultore Domenico Ghidoni, il monumento al pittore bresciano Alessandro Bonvicino, detto il Moretto. 

Il recente riallestimento delle collezioni (1994) propone un museo rinnovato, secondo un criterio espositivo che, avendo promosso campagne di restauro e grazie a successivi acquisti e depositi, propone la storia dell'arte bresciana ed a Brescia dal Trecento al Settecento. 

Dopo un omaggio a Paolo Tosio, con una selezione della sua collezione (vi spicca Raffaello insieme ad altri autori italiani e stranieri), le opere principali offrono un percorso che culmina nella grande stagione del Rinascimento bresciano, da Foppa alla generazione di Romanino, Moretto, Savoldo. Per il Seicento e il Settecento ai pittori locali si accostano importanti apporti forestieri: il ritratto e la pittura di genere, in particolare, sono ben documentati.