Având în componenţa sa aproximativ 20.000 de obiecte din cele mai diverse tipuri, de la data înfiinţării şi până în prezent, fondul Muzeului Naţional Cotroceni a fost îmbogăţit în permanenţă, prin efectuarea unor transferuri de la alte instituţii şi muzee (Regia Autonomă pentru Administrarea Patrimoniului Protocolului de Stat, Muzeul Naţional Peleş, Muzeul Naţional de Artă al României) şi mai ales prin achiziţii şi prin donaţii oferite cu generozitate de unele persoane particulare.

        Colecţia Muzeului Naţional Cotroceni este alcătuită din următoarele domenii: artă plastică (pictură românească, pictură universală, grafică, sculptură românească şi universală, artă religioasă), artă decorativă (ceramică, sticlă, metal, textile, mobilier), numismatică, medalistică, istorie, arheologie.

        În prezent, din domeniul artă plastică s-au format colecţii: arta religioasă (icoane pe lemn), care este reprezentativă pentru perioada târzie a artei religioase româneşti (sec.XVIII-XIX) şi atelierelor ruseşti.

        Colecţia pictură românească este formată din lucrări aparţinând unor iluştri pictori români de la sfârşitul secolului al XIX-lea până în prezent. Marea majoritate a pictorilor români s-au format la renumitele şcoli de arte frumoase de la Bucureşti şi Iaşi, iar alţii au avut privilegiul unor burse în străinătate la cele mai renumite Academii de Artă.

        O parte din aceştia, la reîntoarcerea în ţară s-au integrat în corpul didactic, contribuind astfel la ridicarea nivelului artelor plastice din ţara noastră şi la educarea unor noi generaţii de plasticieni.

        În ultima perioadă, printre priorităţile Muzeului Naţional Cotroceni în domeniul achiziţiilor de obiecte de patrimoniu se află picturile realizate de membrii Societăţii „Tinerimea artistică“, a cărei activitate a fost susţinută în primii ani ai secolului XX  de Principesa Maria. Printre ei s-au numărat: Leon Al. Biju („Piesaj la Balcic“), Kimon Loghi („Cafenea la Balcic“), Nicolae Grant („Peisaj“).

        Colecţia pictură universală este alcătuită din lucrări de secol XVIII-XIX. Majoritatea lucrărilor din Colecţia regală a Palatului Cotroceni se află astăzi în patrimoniul altor muzee din ţară. Cele mai multe lucrări reprezintă şcoala germană, şcoala austriacă, şcoala franceză, şcoala belgiană. Şcoala italiană este reprezentată prin lucrarea „Alegoria aerului“, sf. sec. XVI (Jacopo Bassano - atelier).

        Colecţia de artă grafică cuprinde numeroase desene, acuarele şi gravuri din sec. XIX-XX şi stampe japoneze. Acest fond a fost completat datorită achiziţiilor şi donaţiilor prin care s-a mărit colecţia de grafică românească modernă şi contemporană.

        În anul 1998, Muzeul Naţional Cotroceni şi-a îmbogăţit fondul colecţiei de artă grafică cu lucrările lui Benedict Gănescu, iar în anul 1999 cu lucrările Luciei Beller, Hans Aescher şi Rodica Maniu.

        Colecţia de sculptură cuprinde lucrări executate de sculptori români şi europeni. Printre autorii operelor păstrate în muzeu se numără sculptorii români: Carol şi Frederic Storck, Mac Constantinescu, Miliţa Petraşcu, Oscar Han, Ion Jalea şi sculptori europeni: Clésinger Jean-Baptiste, Houdon Jean Antoine, Julien Causse, Georges Gardet.

        Domeniul artă decorativă este foarte bine reprezentat în expunerea permanentă şi cuprinde piese de mobilier, ceramică, sticlă, piese din metal, textile.

        Colecţia de mobilier oferă o imagine cuprinzătoare asupra diversităţii stilurilor europene şi a evoluţiilor tehnice. În materie de decor se remarcă măsuţe şi scaune din lemn (Stil neoromânesc), garnituri de salon (Empire, Napoleon III, Biedermaier, Ludovic XV-XVI, şi mobilier extrem oriental)

        Colecţia de ceramică cuprinde piese valoaroase create în cunoscutele manufacturi din Germania, Fraţa, Italia, Olanda, Rusia. Remarcabile sunt porţelanurile de Sevres, Meissen şi Kuzneţov.

        Colecţia de sticlă cuprinde obiecte valoaroase din punct de vedere artistic şi istoric sau memorialistic: ex. Serviciul de masă al Reginei Maria (stil neobizantin) şi piese produse în manufacturile din Italia şi Franţa.

        Colecţia de textile cuprinde covoare care sunt create în celebrele ateliere Buchara, Sumak Shirvan.

        Din colecţia de medalii şi decoraţii se pot menţiona piese precum Medalie comemorativă „77 de ani de la revoluţia din 1821 condusă de Tudor Vladimirescu (1898)“, Medalie comemorativă „Proclamarea Regatului (1881)“, Medalie comemorativă „Regele Ferdinand I (1929)“, Coroana României în grad de Mare Ofiţer (model 1881), Steaua României în grad de Cavaler (1941).

        În colecţia muzeului se află un număr de obiecte Art Nouveau, aparţinând mişcării artistice de la sfârşitul secolului al XIX-lea şi începutul secolului XX. Curentul Art Nouveau, un curent internaţional al artei moderne s-a bucurat de succes în toate domeniile artei. În cadrul mişcării Art Nouveau, sticla modernă cunoaşte un moment de mare originalitate şi valoare artistică, datorită şcolii de la Nancy întemeiată de Emile Gallé. În colecţie se află un număr de exemplare Art Nouveau create în ateliere Gallé, Daum şi Lalique. Realizările cele mai de seamă, caracteristic impregnate de variantele stilistice ale Art Nouveau-lui se întâlnesc în artele decorative (mobilier, metal), în ornamentică, în arta cărţii, în pictură, în grafică (ex. în grafica românească - Lucia Beller).