La colección del Museo Tamayo está conformada por dos tipos de obra, de arte moderno y arte contemporáneo. La colección de arte moderno, que integraron Olga y Rufino Tamayo, puede leerse como una síntesis de las vanguardias de la segunda mitad del siglo XX. El conjunto de las más de 300 obras que forman este acervo representa los cambios sucedidos en la cultura internacional de aquella época en la que fueron cuestionados varios conceptos estéticos, dando cabida a nuevas manifestaciones.
A partir de la década de los noventa se configuró la otra vertiente de la colección que está dedicada al arte contemporáneo y pretende dar continuidad a uno de los objetivos iniciales de Rufino Tamayo: seleccionar una serie de obras contemporáneas que reflejen el espíritu de la época actual para ser vistas por los públicos que visitan el Museo Tamayo. Las obras pertenecientes a esta línea se han incorporado a la colección a través de donaciones de artistas que han exhibido en el museo o por obras producidas ex profeso. De esta manera se busca consolidar una colección representativa de arte contemporáneo internacional que coincida con la vocación del museo.
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De conformidad con lo dispuesto en la Ley Federal sobre Monumentos y Zonas Arqueológicos, Artísticos e Históricos son monumentos artísticos los bienes muebles e inmuebles que revistan valor estético relevante. Tal valor se determina atendiendo a su representatividad, inserción en determinada corriente estilística, grado de innovación, materiales y técnicas utilizados y otras análogas. La declaratoria de monumento puede comprender toda la obra de un artista o sólo parte de ella. Esta puede ser expedida por el Presidente de la República o, en su caso, el Secretario de Cultura.
Los artistas mexicanos cuya obra fue declarada monumento artístico son: José María Velasco, Diego Rivera, José Clemente Orozco, Gerardo Murillo "Dr. Atl", David Alfaro Siqueiros, Frida Kahlo, Saturnino Herrán, Remedios Varo y María Izquierdo.