Die ersten Werke Max Pechsteins – zunächst Arbeiten auf Papier – wurden 1925 durch Hildebrand Gurlitt (Museumsdirektor von 1925-1930) angekauft. Der junge Direktor bemühte sich außerdem um den Aufbau eines Bestandes an Werken zeitgenössischer Kunst. Ihm ist 1926 der Erwerb zweier Pechstein-Gemälde zu verdanken, darunter das sich noch heute im Haus befindliche „Stilleben mit Fruchtschale“ (1912). Während der Zeit des Nationalsozialismus und DDR gelangten bis auf Pechsteins „Sonnenblumen“ von 1948, die 1975 aus Privatbesitz erworben wurden, keine weiteren Gemälde des Künstlers in das Museum.
Erst seit Mitte der 1990er-Jahre ist es gelungen, die Sammlung mit bedeutenden Arbeiten wie dem doppelseitigen Gemälde „Blumenstilleben mit Calla/Blumenstilleben mit Neuirland-Maske“ (1917) oder der Palau-Ansicht „Chogealls“ (1917) weiter auszubauen. Mit dem intensivierten Engagement für das Werk Pechsteins in den letzten Jahren konnten zudem die eigenen Bestände mit hochkarätigen Leihgaben aus Privatbesitz ergänzt werden.
Weiterhin gehören zur Sammlung mehr als 150 Zeichnungen, Aquarelle und Druckgrafiken sowie angewandte Arbeiten und über 450 zum Teil eigenhändig illustrierte Briefe und Postkarten Pechsteins, die nicht zuletzt bedeutende Dokumente für die Kunstgeschichtsforschung darstellen. Dieser herausragende Teil der Sammlung wird vor allem im Rahmen von Sonderausstellungen, die kontinuierlich einzelne Aspekte zum Schaffen Pechsteins vorstellen, im Haus präsentiert.