Коллекция была собрана между 1560 и 1763 гг. преимущественно усилиями саксонских курфюрстов и одновременно польских королей Августа II Сильного (1670-1733) и Августа III Фридриха (1696-1763). Первоначально собрание размещалось в резиденции правителей Саксонии, замке Виттенберг. В конце 15 в. коллекция была перенесена в Дрезден, в помещение Кунсткамеры. В 1746 Августом III было приобретено одно из богатейших художественных собраний того времени — коллекция из 100 картин, принадлежавшая моденскому герцогу Франческо III д'Эсте. В 1747 для Картинной галереи было построено здание на площади Ноймаркт. Нынешнее здание Картинной галереи, органично вписанное в ансамбль Цвингера, было пристроено к нему в 1847-55 гг. по проекту Готфрида Земпера. Новое здание было специально приспособлено для хранения уникальных полотен; кроме того, оно и само являлось настоящим произведением искусства.
Во время Второй Мировой войны Цвингер был почти полностью уничтожен в результате бомбардировок, картины были размещены в бомбоубежище, а затем, в 1945, вывезены в СССР (в Москву и Киев). В 1956 всемирно известные полотна вернулись в Дрезден, а в 1960 восстановленный Цвингер принял первых посетителей. В 1988-92 гг. был проведена капитальная реконструкция здания.
В Галерее находится свыше 700 картин от периода раннего ренессанса до маньеризма и барокко. Жемчужина коллекции — «Сикстинская мадонна» Рафаэля, купленная в 1754 Августом Ш в монастыре Святого Сикста в Пьяченце. В собрании и другие мастера итальянского возрождения, в том числе Джорджоне («Спящая Венера»), Тициан («Динарий Кесаря»), Антонио Корреджо («Рождество»), Сандро Боттичелли («Смерть Св. Зиновия»), Бернардо Беллотто, Каналетто. В собрании присутствуют как всемирно известные произведения маньеризма и барокко, так и работы известных нидерландских и фламандских мастеров, в том числе Рембрандта и его последователей; Питера Пауля Рубенса («Спасение Арсинои»), Якоба Йорданса, Антониса Ван Дейка, Яна ван Эйка. Хорошо представлена и немецкая живопись, в том числе работы Альбрехта Дюрера, Лукаса Кранаха Старшего и Ханса Хольбейна.