A coleção de pintura é constituída por c. 250 exemplares, que compreendem pintura portuguesa e europeia dos séculos XVI aos finais do XVIII, para além da presença episódica de exemplares mais tardios. Do conjunto de pintura portuguesa, o mais significativo, destacam-se os cinco painéis que integravam o políptico do altar-mor da Sé de Lamego, executado na primeira década do século XVI por Vasco Fernandes (Tesouro Nacional) e um conjunto de dezasseis pinturas de André Reinoso e oficina, que constitui um dos maiores conjuntos de pintura Seiscentista que se preserva em museus portugueses atribuídos a um só autor. Ainda do século XVI, da segunda metade, contam-se ainda obras atribuídas a António Leitão, Simão Antunes e a Gonçalo Guedes e, do século XVII-XVIII, uma pintura de Bento Coelho da Silveira. Evidencia-se do núcleo de pintura Setecentista, a obra de Pedro Alexandrino e numerosas pinturas, de expressão conventual, que integram os programas decorativos das capelas em talha dourada provenientes do extinto mosteiro das Chagas de Lamego.

A pintura de perspetiva, que decora o teto da capela do antigo paço episcopal, de finais do século XVIII, constitui o único exemplar de pintura parietal, que o museu conserva.

O museu conserva a coleção de pintura formada pelos sucessivos bispos que habitaram o paço episcopal de Lamego ao longo de vários séculos e que, após a reforma pombalina do edifício, se encontrava reunida no «sallam grande das pinturas», um dos mais importantes da antiga residência. A predominância de pinturas de origem flamenga e neerlandesa traduz os laços políticos e económicos entre Portugal e os Países Baixos e o clima de modernidade que vigorou a partir do século XVII na encomenda artística destinada à decoração de palácios reais e eclesiásticos. A erudição da grande pintura histórica do período anterior dá neste período lugar a obras de pequeno formato, com temas menos grandiosos mas mais reais e facilmente inteligíveis.

As paisagens naturalistas, animadas por pastores, caminhantes, figuras mitológicas ou bíblicas, salpicadas por ruínas ou edifícios clássicos, as marinhas, as naturezas-mortas e as cenas populares surgem entre os assuntos mais representados na coleção dos bispos de Lamego, através de cópias ou versões mais ou menos afortunadas de obras, nas quais se pode vislumbrar a marca de afamados mestres como Pieter Paul Rubens (1577-1640), Frans Francken II (1581-1642) ou os irmão Pieter (1657-1720) e Jan Frans van Bloemen (1662-1749). Já no século XXI, o legado de Ana Maria Pereira da Gama, incluindo exemplares ligados à produção de David Teniers II (1610-1690) ou Godefridus Schalcken (1643-1706), espelha a permanência de gosto pela pintura nórdica da Idade de Ouro no colecionismo contemporâneo.