Die Sammlung des MASI wurde 2015 gegründet und umfasst Werke schweizerischer und internationaler Künstlerinnen und Künstler von den 1920er-Jahren bis heute. Zu den bedeutendsten Beiträgen zu ihrer Erweiterung gehören die Schenkung von Giancarlo und Danna Olgiati (Werke von der Bauhaus-Zeit bis heute), die Schenkung von Jocelyne und Fabrice Petignat (zeitgenössische Kunst aus der Schweiz und dem internationalen Kontext), die Schenkung eines wichtigen Werkensembles aus Joseph Beuys’ Zyklus Difesa della Natura durch Fernando und Patricia Zari Malacrida sowie Werke von Renzo Ferrari, Marcel Dupertuis, Fiorenza Bassetti, Markus Raetz und Wolfgang Laib.

Der Associazione Amici Sostenitori del Museo d’arte della Svizzera italiana hat die Sammlung mit Werken von Filippo Tommaso Marinetti, Fausto Melotti, Pietro Consagra, Giulio Paolini, Not Vital, Markus Raetz, Wolfgang Laib und Nicolas Party bereichert.

Die Sammlung des Kantons Tessin umfasst hauptsächlich Werke aus dem 19. und 20. Jahrhundert, ergänzt durch bedeutende frühere Stücke wie Gemälde von Pier Francesco Mola und Giuseppe Antonio Petrini. Sie gliedert sich in drei Hauptbereiche: die Sammlung des Kantons Tessin, die Sammlung des ehemaligen Museo Cantonale d’Arte und die Sammlung Monte Verità.

Die Sammlung des Kantons Tessin bietet einen umfassenden Überblick über die Kunst des Tessins. Seit 1975 wird sie durch Ankäufe der Kantonalen Kunstkommission erweitert. Zahlreiche Werke befinden sich im Staatsarchiv, in Verwaltungsgebäuden, Repräsentationsräumen und Schulen des Kantons.

Die Sammlung des ehemaligen Museo Cantonale d’Arte umfasst vor allem Werke von Künstlerinnen und Künstlern, die mit der Region und den Ausstellungsaktivitäten des Museums verbunden sind. Darüber hinaus enthält sie Werke bedeutender Vertreter der modernen und zeitgenössischen Kunstgeschichte wie Edgar Degas, Pierre-Auguste Renoir, Camille Pissarro, Gabriel Orozco, Rineke Dijkstra und Thomas Struth. Leihgaben des Bundes, der Gottfried-Keller-Stiftung und des Kunsthaus Zürich haben bedeutende Werke von Künstlern eingebracht, die die Schweizer und internationale Kunstgeschichte geprägt haben, darunter Cuno Amiet, Edoardo Berta, Carlo Carrà, Filippo Franzoni, Achille Funi, Ferdinand Hodler, Johannes R. Schürch und Mario Sironi.
Zu den wichtigsten Schenkungen zählen jene der Familie Lenggenhager-Tschannen (Werke französischer Meister des späten 19. Jahrhunderts), das Vermächtnis von Fritz Glarner und die Schenkung von Graf Panza di Biumo, die eines der bedeutendsten postminimalistischen Konvolute in der Schweiz bildet, mit Arbeiten von Stuart Arends, Barry X Ball, Lawrence Carroll, Ettore Spalletti, Roni Horn und Thomas Schütte.
Der bedeutende Bestand des VideoArt Festival Locarno, der das Gesamtwerk einiger der wichtigsten Vertreter der Videokunst umfasst, ergänzt dieses Panorama um eine der international bedeutendsten Sammlungen zur Entwicklung multimedialer Ausdrucksformen in der Kunst.

Die Sammlung Monte Verità, die hauptsächlich in den Gebäuden der Fondazione Monte Verità in Ascona untergebracht ist, geht auf die Schenkung von Baron Eduard von der Heydt zurück. Sie umfasst zahlreiche bedeutende asiatische Grafikwerke und Gemälde vom 17. bis zum 20. Jahrhundert von Künstlerinnen und Künstlern wie Angelika Kauffmann, Alexandre Calame, Conrad Felixmüller und Amédée Ozenfant.

Die Sammlung der Stadt Lugano umfasst Werke von Künstlern aus dem Tessin vom 12. Jahrhundert bis heute. Der bedeutendste Teil betrifft die lokale und lombardische Kunstszene des späten 19. und frühen 20. Jahrhunderts, mit einem bemerkenswerten Bestand an präfuturistischen Werken von Umberto Boccioni. Werke der Tessiner Maler Giovanni Serodine, Pier Francesco Mola und Giuseppe Antonio Petrini sind wichtige Zeugnisse früherer Jahrhunderte.
Der ursprüngliche Kern der Sammlung stammt aus dem Nachlass Antonio Caccia von 1893, der ein heterogenes Ensemble von Werken aus dem 17. bis 19. Jahrhundert umfasst. Im Laufe der Zeit kamen bedeutende Leihgaben des Bundes (Tessiner und Schweizer Künstler, darunter Giovanni Giacometti) und der Fondazione Gottfried Keller (Vincenzo Vela, Filippo Franzoni, Giuseppe Antonio Petrini) hinzu.
Zu den wichtigsten Schenkungen zählen jene der Erben Gabriele Chiattone von 1961 (mit einem großen Werkbestand von Umberto Boccioni und Arbeiten von Cesare Tallone, Leonardo Dudreville, Tranquillo Cremona, Achille Funi), das Vermächtnis von Adolph und Carla Milich Fassbind von 1965, das Werke von Milich selbst und bedeutender französischer Meister des späten 19. und frühen 20. Jahrhunderts (Claude Monet, Eugène Boudin, Édouard Vuillard, André Derain, Henri Rousseau, Henri Matisse) umfasst, sowie die Schenkung Francesco Messina von 1977.
1978 schenkte der Aargauer Künstler Wilhelm Schmid der Stadt Lugano zahlreiche Werke sowie sein Haus in Brè mitsamt seinem gesamten Inhalt. Dieses wurde 1983 als Museo Schmid der Öffentlichkeit zugänglich gemacht, wo bis heute eine Auswahl seiner Werke, darunter bedeutende Beispiele der Neuen Sachlichkeit, zu sehen ist.
1980 schenkte der Luganeser Künstler Carlo Cotti der Stadt rund hundert Werke zeitgenössischer Künstler sowie einen umfangreichen Bestand eigener Arbeiten und gründete damit den Fondo Comunale Carlo Cotti mit dem Ziel, Werke junger Künstler zu erwerben.
1996 übergab Aligi Sassu der Stadt Lugano ein bedeutendes Werkensemble, das von der Fondazione Aligi Sassu e Helenita Olivares betreut wird und seine gesamte künstlerische Produktion umfasst.
Die Sammlung enthält außerdem auf Papier ausgeführte Werke der Biennale internazionale di Bianco e Nero, die zwischen 1950 und 1968 in der Villa Ciani stattfand, sowie Skulpturen im öffentlichen Raum der Stadt.