Die Sammlung des Museum Morsbroich ist eng mit der Ausstellungsgeschichte seit 1951 und mit den Schwerpunkten der unterschiedlichen Institutsleiter verbunden.
Der erste Direktor des Museums, Curt Schweicher (1952 bis 1958), setzte den Gründungsauftrag von Morsbroich, der gegen die Barbarei des Nationalsozialismus und für eine engagierte Gegenwartskunst formuliert war, beherzt um. Er sammelte sowohl im Bereich der Klassischen Avantgarden wie der Gegenwartskunst. Er erwarb Gemälde von Erich Heckel, Alexej von Jawlensky, Gabriele Münter und Oskar Schlemmer sowie Grafiken von Picasso und Henri Matisse. Gleichzeitig gelangen ihm Ankäufe von Gegenwartskünstlern wie Jean-Paul Riopelle, Antonio Corpora oder Adolf Fleischmann.
Udo Kultermann (1959 bis 1964) und Rolf Wedewer (1965 bis 1995) richteten als Direktoren in Morsbroich ihre Aufmerksamkeit auf die Magie als eine Perspektive zur Deutung der Welt. Kultermann stellte bereits 1959 Werke von Otto Piene, Heinz Mack und Yves Klein aus. 1960 organisierte er die legendäre Ausstellung Monochrome Malerei und widmete 1962 Lucio Fontana die bis dahin umfangreichste Retrospektive seines Werks. Er präsentierte Chinesische Künstler der Gegenwart und Die gläserne Kette. Visionäre Architekturen aus dem Kreis um Bruno Taut (beide 1963). Seinen unumstößlichen Glauben an die verändernde Kraft der Kunst fasste er anlässlich der Ausstellung Konstruktivisten 1962 zusammen: „Das gemeinsame Wesensmerkmal der hier gezeigten Werke ist die aus dem schöpferischen Tun einzelner Menschen für alle Menschen neu geschaffene, also verwandelte Möglichkeit, unsere Welt zu erleben.“ (Einführung in den Katalog)
Während Kultermanns magisches Weltbild mystisch und eher nach innen gerichtet war, trat Rolf Wedewer 1965 viel offensiver und mit dem Ziel einer möglichst kontroversen öffentlichen Diskussion sein Amt in Leverkusen an. Bezeichnenderweise trug bereits seine Antrittsausstellung den Titel Metamorphosen und setzte sich mit der Frage auseinander, in welcher Form die Traumwelten des Surrealismus in der künstlerischen Gegenwart des Jahres 1965 ihren Platz behaupten. Seine Ankäufe der Jahre 1965 bis 1975 und die Erwerbungen, die Udo Kultermann zuvor getätigt hatte, bilden heute den Kern der magischen Sammlung des Museums: Alexander Calders Mobile (1942, erw. 1962), Lucio Fontanas Concetto Spaziale (um 1960, erw. 1962), 2 Weiße Bilder von Piero Manzoni (1958/59, erw. 1960/61), Werke von Jan J. Schoonvoven, Günther Uecker, Otto Piene, Jef Verheyen, Yves Klein oder Francesco Lo Savio; frühe Werke von Arnulf Rainer oder Daniel Spoerris raumfüllende Installation 20 Objets de Magie à la Noix. Zimtzauberkonserven – Symizyklus (1967, erw. 1969).
Zu den frühen Ankäufen von Rolf Wedewer gehört auch der Tiger von Gerhard Richter (1965, angekauft 1968), um dessen Werk sich ein Sammlungsschwerpunkt mit Aquarellen, bildmäßigen Zeichnungen und Editionen entwickelte. Weitere Schwerpunkte, die Wedewer verantwortete, sind die umfangreichen Ankäufe grafischer Werke von Georg Baselitz, Alfred Hrdlicka, Fred Sandback, des amerikanischen Minimalismus und des deutschen Informels.
Susanne Anna (1995 bis 1999) und Gerhard Finckh (2000 bis 2006) hatten bereits weniger Ankaufsmittel zur Verfügung, konnten die Sammlung aber gezielt verstärken und Sammler zu Schenkungen bewegen. Susanne Anna verpflichtete das Leverkusener Sammlerehepaar Marianne und Fritz Walter zu einer Schenkung ihrer Sammlung mit Gemälden, Zeichnungen und Skulpturen des deutschen Informel. Im internationalen Bereich stechen ihre Ankäufe von Sherry Levines 9-teiliger Installation Hobbyhorses (1996), David Rabinowitchs 10 sided conic Plane in 7 Masses and 3 Scales (1994, erw. 1997) oder Lawrence Weiners Schrift Auf die Barrikaden! heraus.
Gerhard Finckh erweiterte die Sammlung nachhaltig mit Blick auf die neuen Medien. Er erwarb u.a. Tony Ourslers Command Hallucination (2001, erw. 2002) und konnte wichtige fotografische Werke wie Anna und Bernhard Blumes Ödipale Komplikationen (1979, erw. 2003) oder eine Reihe legendärer Polizeifotografien des Schweizers Arnold Odermatt für Morsbroich gewinnen. Ikonisch ist die Arbeit Museum – Use Mum von Elmgreen & Dragset (2001, erw. 2002). Im Jahr 2004 wurde der Ankaufsetat des Museum ausgesetzt, weil die Stadt Leverkusen in den Nothaushalt rutschte.
Markus Heinzelmann (2006 - 2018) baute mit Mitteln des Museumsvereins Morsbroich e.V. und der ehrenamtlichen Freundinnen des Museums gezielt den Skulpturenpark aus. Ortsspezifische Kunstwerke wie die Neonschrift CLOSED von Jonathan Monk (2008, erw. 2008 von der Provinzial Rheinland) an der Fassade des Schlosses, der beliebte Brunnen Water Island Morsbroich von Jeppe Hein (2010, erw. 2010) oder Werner Reiterers Luftballone in den Bäumen des Parks (Life isn’t Funny / Life is Great, 2012, erw. 2012) verwandeln den Park in ein kostenfreies Kunsterlebnis für jeden Bürger der Stadt. Im Zusammenhang mit der Ausstellung Keramische Räume im Jahr 2014 wurde dem Museum aus Kölner Privatbesitz (Niels Dietrich) ein repräsentativer, musealer Querschnitt von Skulpturen, Gemälden und Grafiken von Norbert Prangenberg geschenkt, die vielleicht bedeutendste Erwerbung der vergangenen 20 Jahre. Mit Mitteln der Kulturförderung des Landes NRW und des Museumsvereins konnten wichtige Arbeiten der in Leverkusen geborenen Künstler Thomas Grünfeld (o.T., Ei/weiß, 2000, erw. 2014) und Wolf Vostell erworben werden.
Von 2018 bis August 2021 leitete Fritz Emslander das Museum kommissarisch. Im August 2021 beginnt Jörg van den Berg seinen Dienst als Museumsdirektor im Museum Morsbroich.
