Le musée des Beaux-arts est, par l'importance et la qualité de ses collections, l'un des principaux musées de France. 

Une salle ouverte en 1998 permet d'admirer les antiquités égyptiennes : portraits du Fayoum, sarcophage, statuettes, bijoux, amulettes...

L'ensemble des primitifs suisses et rhénans, unique en France, est dominé par une oeuvre majeure de Conrad Witz, le plus célèbre des artistes suisses du XVe siècle : L'Empereur Auguste et la Sibylle de Tibur, élément du retable du Miroir du Salut en partie conservé au musée de Bâle.

Pour la Renaissance, Lorenzo Lotto et Véronèse illustrent le rayonnement de l'Italie, le "Maître des demi-figures" témoigne des innovations flamandes dans le paysage et la Dame à sa toilette évoque le raffinement de l'Ecole de Fontainebleau. Dans le domaine des arts décoratifs, le mobilier richement sculpté par l'architecte-menuisier Hugues Sambin révèle l'éclat de la Renaissance en Bourgogne. 

Un ensemble d'oeuvres des peintres Jean Tassel et Philippe Quantin, ainsi que du sculpteur baroque dijonnais Jean Dubois, illustre l'importance de la production artistique locale. Le Souffleur à la lampe de Georges de la Tour témoigne du mouvement caravagesque dans les ateliers de l'Est de la France. La production parisienne et royale est représentée par des tableaux importants de Philippe de Champaigne et Charles Le Brun notamment aux côtés des grands tableaux de Brueghel de Velours, Rubens ou Guido Reni pour les écoles étrangères.

Présentées en partie dans un décor d'époque, les toiles du XVIIIe siècle illustrent la variété des genres pratiqués par les peintres : La Fosse, Boucher ou Van Loo pour la peinture d'histoire, Nattier ou Greuze pour le portrait, Colson ou Trinquesse pour la peinture de genre, Hubert Robert ou Lallemand pour le paysage, Oudry pour la nature morte.
 
Les différents courants du XIXe siècle sont largement représentés : une quinzaine de toiles du Bourguignon Prud'hon et quelques oeuvres de Géricault reflètent les débuts du Romantisme français. Aux artistes officiels, Bouguereau, Legros ou Tissot, s'associent les Indépendants : Monet, Boudin, Manet, Sisley ou le divisionniste Cross. Le fonds considérable de sculptures laisse une place importante aux artistes d'origine locale : Fremiet, Rude, Dampt et plus tard Pompon, célèbre sculpteur animalier, dont le musée possède le plus bel ensemble.

La section d'art moderne est essentiellement constituée par la collection rassemblée par un couple de donateurs, Pierre et Kathleen Granville, autour de quelques oeuvres des collections du musée : l'expressionnisme sombre de Rouault côtoie les toiles cubistes de Braque, Gris, ou La Fresnaye, associées à une belle série de masques et d'objets africains. Plus proches de nous, les ensembles importants d'oeuvres de Lapicque, Vieira da Silva, Nicolas de Staël, Bertholle, Messagier et Hajdu sont représentatifs de l'Ecole de Paris des années 1950 à 1970.