В основе относительно небольшой, но интересной коллекции живописи (около 400 произведений) лежит фамильное собрание графов Шереметевых. Многие из картин находятся в Останкине еще с конца XVIII столетия, когда был построен Останкинский дворец. Другие появились здесь после войны 1812 г., когда отступающими наполеоновскими солдатами было похищено 104 полотна из Картинной галереи дворца, и взамен них в Останкино были привезены картины из других шереметевских имений. Благодаря собирательской деятельности музея коллекция активно пополнялась и в XX веке.

Сейчас в коллекцию входят преимущественно оригинальные живописные произведения всех европейских школ XVI – XVIII вв., в том числе работы А. Тиарини, Л. Джордано, Ф. Солимены, Дж. Ланджетти, А. Паламедеса, Х.-Ван Влита, Д. Тенирса, П. Воса, Г. Платцера, М. Жерар, Ж. Демарна, К Пуленбурга, К.Моленара, Н.Маса и других. Значительный интерес представляют произведения ведущих русских живописцев и провинциальных мастеров, в том числе крепостных живописцев, выполненные как в академической манере, так и в традициях народного искусства. Особую ценность представляет коллекция русского портрета XVIII – XIX вв., в основе которой лежит фамильное собрание графов Шереметевых. Это прежде всего работы И.П. и Н.И. Аргуновых, Д.Г. Левицкого, К.Е. Маковского, Дж. Доу, И.К.Макарова и других известных мастеров.