La collezione d’arte moderna racconta l’evoluzione dell’arte nelle Marche nel corso dei primi decenni del XX secolo; tuttavia, vi si incontrano anche alcuni dipinti del secolo precedente, come i ritratti eseguiti da Guido Bonolis e Gualtiero Baynes e le sculture di Fedele Bianchini e Giovanni Battista Tassara.
Forte di oltre 150 opere, il museo vive soprattutto tra la contrapposizione della corrente futurista e di quella neo-realista, che furono le maggiormente seguite in città. Tra gli autori ospitati si segnalano Cassinari, Pincherle, Music, Bartolini, Brindisi, Cantatore, Spazzapan, Licini, Di Cocco, Staccioli, Hsiao Chin, Licata, Bardi, Barisani,  Cagli, Afro, Peschi, Turcato, Vedova, Schifano, Carmi.
Di notevole interesse è la decorazione realizzata da Ivo Parmeggiani per una casa futurista ad Esanatoglia (1924) e qui conservata.