Skulptur und Plastik stehen im Zentrum der städtischen Kunstsammlung: Herausragende internationale Bildhauer der Moderne, darunter Auguste Rodin, Pablo Picasso, Medardo Rosso, Henri Matisse, Henri Laurens, Henry Moore und Alberto Giacometti, sind mit Bozzetti und Kleinplastiken vertreten.  Zeitgenössischen Positionen wie Franz Erhard Walther, Roman Signer oder Thomas Schütte führen die Erweiterung des Skulpturbegriffs in der Kunst der Gegenwart vor Augen. Zahlreiche Werke belegen zudem den Facettenreichtum der Bildhauerei im deutschen Südwesten.    

Die Bestände der Malerei und Grafik konzentrieren sich vor allem auf das lokale Kunstschaffen vom späten 18. Jahrhundert bis heute. Einen historischen Höhepunkt markieren hierbei die Gemälde des gebürtigen Heilbronners Heinrich Friedrich Füger, ein bedeutender Vertreter des deutschen Klassizismus. Wichtige Werke der hiesigen zeitgenössischen Kunst stammen etwa von Hal Busse und Peter Riek.

Die Kunstsammlung ist die jüngste innerhalb der vier Sparten der Städtischen Museen Heilbronn: Zwar zählten seit der Gründung des Historischen Museums 1879, Vorläufer der Städtischen Museen Heilbronn, auch Gemälde und Skulpturen zum Bestand. Diese wurden jedoch bis auf wenige Ausnahmen im Zweiten Weltkrieg zerstört.

Die heutige Sammlungsausrichtung geht zurück auf den ersten hauptamtlichen Museumsdirektor Andreas Pfeiffer: Er legte ab den 1980er Jahren den Fokus auf die Bildhauerei der Moderne und Gegenwart. Die beständige, großzügige Unterstützung der 1996 eingerichteten Ernst Franz Vogelmann-Stiftung ermöglicht immer wieder Erwerbungen bedeutender Werke.