Die Kunsthalle war ursprünglich als reiner Ausstellungspavillon für die Präsentation der Biennale der Ostseeländer, Norwegens und Islands, welche ab 1969 alle zwei Jahre zur Rostocker Ostseewoche ausgerichtet wurde, vorgesehen. Der Gründungsdirektor, Dr. Horst Zimmermann, begann entgegen dieser Konzeption bereits im Jahr 1964 damit, eine eigene Sammlung für die Kunsthalle anzulegen, um das Haus in den darauffolgenden Jahren auch als Kunstmuseum zu etablieren. Die für ein Museum typischen Aufgabenbereiche des Sammelns, Bewahrens, Forschens und Vermittelns gehörten (und gehören auch heute noch) zu den Kernkompetenzen der Kunsthalle.
Neben der Biennale der Ostseeländer, Norwegens und Islands waren pro Jahr drei wissenschaftliche und sechs Kabinettausstellungen vorgesehen. Die Besonderheit des Ausstellungsprogramms zu Zeiten der internationalen Kunstausstellung der Ostseeländer war die weitestgehend unzensierte Präsentation von Kunst auch aus nicht-sozialistischen Ländern. Rostock galt in der ehemaligen DDR aufgrund seines Tourismus- und Industriehafens als »Tor zur Welt«.
Abseits der internationalen Biennale präsentierte die Kunsthalle eine Vielzahl von thematisch vielfältigen Expositionen. Die Schwerpunkte lagen im Bereich Kunst der Ostdeutschen Moderne (sprich Kunst aus der DDR) sowie auf den Arbeiten von skandinavischen und regionalen Künstlern. Graphik, Plastik, Design und Malerei wurde ausgestellt. Internationale Kooperationen mit Institutionen und Künstlern aus Japan, Mexiko oder Frankreich wurden vereinzelt durchgeführt. Die Kunsthalle war stark in das gesellschaftliche Leben der Stadt Rostock eingebunden.
Die Sammlung der Kunsthalle bestand bis zum Jahr 1990 vorwiegend aus Graphiken, Plastiken und Malereien. Der Großteil des Bestands wurde zwischen den Jahren 1964 und 1990 erworben oder der Sammlung durch Schenkungen angegliedert. Schwerpunkte dieser Sammlung bilden regionale Kunst, Werke der Ostdeutschen Moderne und aus den Ostseeanrainerstaaten. Das Konvolut der Sammlung zählte bis zum Jahre 1990 gut 500 Gemälde, 200 Plastiken und 7.000 Grafiken.
In der Sammlung befinden sich bis heute auch druckgrafische Werke von Otto Dix, Max Liebermann, Ernst Barlach, Käthe Kollwitz und Emil Orlik sowie Werke finnischer Künstler. Im Bereich Plastik sind beispielhaft Werke von Joachim Jastram, Fritz Cremer, Felix Droese, Hermann Glöckner und Werner Stötzer zu nennen. Selbstportraits, Landschaftsmalerei und die Abbildung des täglichen Arbeiterlebens dominieren die Werke im Malereibestand. Darunter befinden sich Gemälde von Oskar und Otto Manigk, Kate Diehn-Bitt, Rudolf Austen, Susanne Kandt-Horn und Carl Lohse.
