3500 Werke aus den wichtigen Epochen der europäischen Kunstgeschichte sowie knapp 100.000 Zeichnungen und Druckgrafiken umfasst die Sammlung der Kunsthalle Karlsruhe. Zurück geht diese auf den Kunstsinn und die Tätigkeit der badischen Markgräfinnen und Markgrafen als Sammler:innen.

Schwerpunkt der Sammlung bilden die Kunst des Mittelalters und der Renaissance, die Niederländische Kunst des 16. und 17. Jahrhunderts sowie die Französische Kunst des 17. und 18. Jahrhunderts. Mit Biedermeier, Romantik, Realismus und Impressionismus ist auch die Malerei des 19. Jahrhunderts mit bedeutenden Werken vertreten. Ebenso präsentiert werden mit der Klassischen Moderne u.a. Konstruktivismus, Expressionismus und Neue Sachlichkeit. Seit Mitte des 20. Jahrhunderts wird die Sammlung mit großen Bemühungen in die Gegenwart überführt, so dass auch Arbeiten des Informel, der Konzeptkunst, der Neuen Figuration sowie medienübergreifende Arbeiten vertreten sind.

Als eines der ersten Museumsgebäude Europas konzipierte Heinrich Hübsch die Kunsthalle Karlsruhe zu Beginn des 19. Jahrhundert als Gesamtkunstwerk aus Architektur, Malerei und Skulptur. Noch heute ist sie weitgehend in ihrer originalen Gestaltung erhalten. Um hier auch den Anforderungen der Gegenwart gerecht zu werden, ist eine bauliche Weiterentwicklung in Planung. Aufgrund einer sanierungsbedinten Schließung ist die Sammlung der Staatlichen Kunsthalle Karlsruhe derzeit im ZKM Karlsruhe zu sehen.