Jej zbiory opierają się na dziełach przekazanych przez prywatnych kolekcjonerów. Do najważniejszych artystów, których obrazy można tam znaleźć, należą: Albrecht Dürer, El Greco, Édouard Manet, Jan Vermeer.
Pomysłodawcą tej galerii był amerykański kolekcjoner, Andrew Mellon, który od początku lat 20. zbierał dzieła, które mogłyby zasilić Narodową Galerię. Po jego śmierci temat ten podjął Kongres, który zatwierdził wystawienie budynku w stołecznym parkuNational Mall. Architektem, któremu powierzono przygotowanie projektu był popularny ówcześnie John Russell Pope. Zatwierdził go sam prezydent Franklin Delano Roosevelt. Projekt ten zachęcił do upubliczniania swoich kolekcji wielu innych mecenasów.
Drugi z budynków, wschodni, powstał w latach 70. XX wieku, zaprojektował go Ieoh Ming Pei. Został ukończony w 1978 roku, w ceremonii otwarcia uczestniczył Jimmy Carter. Znajduje się w nim ekspozycja sztuki współczesnej: obrazów, rzeźb i rysunków, a także centra badawcze i biura.
Ostatnią częścią inwestycji jest National Gallery of Art Sculpture Garden (Ogród Rzeźb), w którym znaleźć można należącą do muzeum kolekcję prac współczesnych rzeźbiarzy.