La raccolta pittorica della Pinacoteca Nazionale di Cagliari si formò in seguito alla legge sulla soppressione degli enti ecclesiastici del 1866, con la quale vennero prelevate da diverse chiese di Cagliari le opere più significative. Un altro apporto determinante fu dato dalla distruzione della Chiesa di San Francesco di Stampace nel 1875, da dove provenne il maggior numero di retabli esistenti a Cagliari ed altre opere di rilevante qualità artistica.

Nell’ultimo decennio del XIX secolo tutta la collezione, insieme ai reperti archeologici, fu trasferita presso il Palazzo Vivant che disponeva, però, di spazi inadeguati; così fu progettata dall’Ingegnere Dionigi Scano un’apposita sede espositiva. Nel 1905 venne inaugurato il Museo di Piazza Indipendenza; il progetto comprendeva il collegamento all’attiguo edificio delle "seziate", dove si prevedeva di esporre oggetti storico artistici e successivamente quelli di ambito folkloristico. La palazzina delle seziate mantenne il suo ruolo di museo per circa 80 anni.

Nel 1955, nel vecchio arsenale, iniziarono i lavori, ultimati negli anni Settanta, per la realizzazione del complesso museale della Cittadella. I locali della nuova pinacoteca furono occupati solo nel 1985 quando, a causa dell’allegamento della vecchia sede, le opere furono tempestivamente trasferite in cittadella. L’attuale sede fu definitivamente inaugurata ed aperta al pubblico nel 1992.