Das Lindenau-Museum beherbergt eine der kostbarsten Spezialsammlungen früher italienischer Tafelbilder weltweit. Die auf Holz gemalten Bilder des 13. bis 16. Jahrhunderts zeigen die Entwicklung der italienischen Malerei und begründen den internationalen Rang des Museums. Sie sind dem Naturwissenschaftler, Staatsmann und Mäzen Bernhard August von Lindenau (1779–1854) zu verdanken und seit 1848 der Öffentlichkeit zugänglich.
Lindenau trug außerdem antike Keramiken, Gipsabgüsse und eine wertvolle Kunstbibliothek zusammen und gründete eine Zeichenschule. Für seine Sammlungen, die er testamentarisch dem Herzogtum Sachsen-Altenburg vermachte, wurde eigens das 1876 eröffneten prachtvolle Neorenaissance-Gebäude am Fuße des Schlossparks erbaut.

Ergänzend kommen Kollektionen mit deutscher, italienischer, niederländischer und französischer Malerei des 16. bis 19. Jahrhunderts, deutscher Malerei des 20. und 21. Jahrhunderts sowie Plastik, vorwiegend des 19. und 20. Jahrhunderts, hinzu. Nach 1945 wurde vor allem Graphik und Malerei von Künstlern aus Berlin, Chemnitz, Dresden und Leipzig gesammelt. Ein Schwerpunkt bei Malerei und Graphik liegt auf der Kunst der 1920er Jahre und der Klassischen Moderne. In der Graphischen Sammlung befindet sich eine der umfangreichsten Kollektionen von illustrierten Mappenwerken des Spätexpressionismus und der Neuen Sachlichkeit. Zudem besitzt das Museum den weltweit größten Bestand von Werken Gerhard Altenbourgs (1926–1989).