12 ноября 1943 года в Нижнем Тагиле была организована Областная картинная галерея, которая в 1945 году была переименована в Государственный музей изобразительных искусств. В настоящее время коллекция музея составляет более 10 000 единиц хранения предметов русского и западно-европейского искусства.
Собрание произведений русского авангарда сформировалось благодаря передаче в разные годы картин из Нижнетагильского краеведческого музея, которые были осуществлены в 1951, 1959 и 1964 годах. Эти работы являются основой коллекции и составляют гордость НТМИИ.
В свою очередь Нижнетагильский краеведческий музей 29 сентября 1925 года получил 51 произведение русских художников (47 из которых впоследствии были переданы НТМИИ) из Центрального хранилища государственного музейного фонда, располагавшегося в Москве на Садовой-Черногрязской улице, дом 6. Акт передачи подписал заведующий отделом учёта и охраны Абрам Маркович Эфрос, крупнейший музейный деятель и искусствовед, со стороны Нижнетагильского краеведческого музея – заведующий музеем Александр Николаевич Словцов.
По Акту № 413 от 29 сентября 1925 из ГМФ были получены следующие произведения: А.Лентулов «Дома»; Паин «Пила», «Натюрморт»; Грищенко «Грибы»; Колыбанов «Натюрморт с бутылкой»; Шмельков «Натюрморт с кувшином»; Шестаков «Натюрморт с медным кувшином».
Следующая передача произведений авангарда в Нижнетагильский краеведческий музей состоялась через два года. По Акту № 716 от 8 июня 1927 года в фонды поступили следующие произведения (список приведён в орфографии Акта): Розанова О. «Беспредметное»; Степанов «Композиция» [В.Степанова – М.А.]; Синезубов «У парикмахера»; Чернышов «Натюрморт. Скрипка»; Экстер А.А. «Композиция. Движение плоскостей»; Эндер Б. «[Портрет] Либкнехта» (1919); Лабас «Портрет девочки»; Колесников С.М. «В цирке» (1920); Пестель В.Е. «Натюрморт».
Шесть произведений из этого Акта были переданы в музей изобразительных искусств, кроме работ Степановой, Лабаса и Колесникова.
Изучая акты передачи 1925 и 1927 годов, можно проследить, благодаря особым пометкам, судьбы многих работ. Так, полотно Аристарха Лентулова поступило из Музея живописной культуры, остальные произведения были переданы из Государственного музейного фонда. «Композиция» Ольги Розановой экспонировалась на Берлинской выставке 1922 года, в каталоге значится под № 173–176 (выставлялось три работы под названием «Komposition»). «У парикмахера» Н.В.Синезубова (в каталоге №203 «Friseu») принимала участие в этой же выставке.
В фондах музея хранится 28 произведений живописи и 40 листов графики Павла Константиновича Голубятникова – друга и любимого ученика К.С.Петрова-Водкина. С творческим наследием художника связана особая история. В 1974 году его дочь, директор книготорга Нижнего Тагила Дерябина Вера Павловна рассказала тагильскому художнику М.В.Дистергефту и скульптору М.П.Крамскому, бывшим ленинградцам, о том, что её отец Голубятников П.К. был художником и преподавал в начале 1930-х годов в Ленинграде в Академии художеств. Он погиб от голода и болезней в блокаду, а семья была эвакуирована на Урал. После нескольких лет скитаний они оказались в Нижнем Тагиле. Семья художника успела вывезти их окружённого Ленинграда часть работ и два чемодана с архивом. Во время одного из налётов от разрыва бомбы, попавшей в их квартиру-мастерскую, картины сильно пострадали, многие были утрачены. М.В.Дистергефт предложил помощь своей жены Элеоноры Павловны Дистергефт, работавшей в то время директором НТМИИ. В 1974 году В.П.Дерябина принесла в музей рулон с 20 картинами, значительно повреждёнными. Э.П.Дистергефт провела укрепление красочного слоя, а в 1976 году вызвала в Нижний Тагил специалистов В.И.Шульгина и П.М.Горнунга из московского реставрационного центра им. академика И.Э.Грабаря, которые выполнили реставрацию 7 картин, подаренных музею, и некоторых полотен, которые остались в семье. Постепенно НТМИИ приобрёл в свою коллекцию архив художника и остальные произведения, часть из них В.П.Дерябиной была подарена. Так к 1995 году в НТМИИ сформировалась коллекция картин П.К.Голубятникова, включающая почти все сохранившиеся работы мастера.
Произведения авангардного искусства из НТМИИ впервые были показаны на выставке «Русский авангард 1910–1930-е из советских и немецких собраний» в Дуйсбурге (Германия) в 1990 году. Впоследствии музейная коллекция авангарда постоянно принимала участие в различных выставочных проектах в Россия и за рубежом.