Seit der Gründung des Historischen Museums 1879, dem Vorläufer der Städtischen Museen Heilbronn, zählen auch Gemälde und Skulpturen zum Sammlungsbestand. Diese wurden jedoch bis auf wenige Ausnahmen im Zweiten Weltkrieg zerstört.

Mit dem ersten hauptamtlichen Museumsdirektor Andreas Pfeiffer erfolgte ab den 1980er Jahren eine Ausrichtung der Sammlung auf den Bozzetto, die "Ideenskulptur". Dieser Schwerpunkt wird unter neuer Leitung weiterverfolgt und kontinuierlich um Kleinplastik und bedeutende Werke zeitgenössischer Bildhauer wie Roman Signer und Franz Erhard Walther ergänzt, die sich mit einem erweiterten Skulpturbegriff auseinandersetzen.

In Malerei und Grafik spielen lokale Bezüge eine zentrale Rolle. Eine der herausragenden Künstlerpersönlichkeiten ist der in Heilbronn geborene Porträtist und Historienmaler Heinrich Friedrich Füger (1751 – 1818). Als Direktor der Wiener Akademie und Leiter der kaiserlichen Gemäldegalerie gehörte er zu den einflussreichsten Künstlern seiner Zeit.

Die sukzessive Erweiterung der Bestände durch moderne und zeitgenössische Positionen war nur durch großzügige finanzielle Unterstützung möglich. Besonderer Dank gebührt dem Verein der Freunde der Städtischen Museen Heilbronn e.V., der Stiftung der Kreissparkasse Heilbronn Kunst, der Kultur- und Denkmalpflege sowie der Ernst Franz Vogelmann-Stiftung.