Das Museum beherbergt eine umfangreiche Kunstsammlung. Den Grundstock dieser Sammlung bildet der Nachlass des Künstlers Georg Philipp Wörlen (1886–1954). Diesem wurde mit der Gründung des Museums sowie der Stiftung durch den Sohn Hanns Egon Wörlen ein adäquates und gesichertes Zuhause gegeben.

Das Werk Georg Philipp Wörlens mit über 1500 Arbeiten und zahlreiche Arbeiten seiner Freunde aus den Künstlergemeinschaften »Der Fels« und »Donau-Wald-Gruppe« dominieren die Sammlung. Darüber hinaus ist auch eine beachtliche Anzahl von Werken weiterer befreundeter Künstler wie z. B. Alfred Kubin vorhanden.

Von beträchtlichem Umfang ist außerdem die Sammlung von Korrespondenzen, die einen intensiven Einblick in die Beziehungen zwischen Georg Philipp Wörlen und seinen Künstlerfreunden gewährt.

Im Lauf der Zeit entstand darüber hinaus eine umfangreiche neuere Sammlung, die sich aus Werken zeitgenössischer Künstler zusammensetzt. Darunter befinden sich z. B. Arbeiten von Fritz Wotruba, Lothar Fischer, Arnulf Rainer, Hans Staudacher, Sandro Chia, Alfred Hrdlicka, Mel Ramos, Jürgen Brodwolf, Günther Uecker, Paul Flora, Stefan Szczesny, Sepp Auer, Erwin Reiter, Edda Seidl-Reiter, Alois Riedl, Annerose Riedl und zahlreichen Künstlern aus der Region.