Den kunsthistoriske samlinga femner kyrkjekunstsamlinga samt måleri- og bildesamlinga. Kyrkjekunstsamlinga (ca. 600 objekt) inneheld kunst, bygningsdelar, inventar og bruksgjenstandar frå kyrkjer i Noreg frå mellomalder til nyare tid. Objekta i samlinga vart i hovudsak innlemma på 1800-talet, da mange kyrkjer blei rivne eller restaurert og liturgisk utstyr blei skifta ut.  Samlinga har i dag ikkje tilvekst, men ho representerer ei primærkjelde med unikt materiale som set lys på utviklinga av sakrale kunstformer og kyrkjeinnreiingar frå mellomalder til nyare tid. Samlinga har høg kunst- og kulturhistorisk verdi, særleg gjennom måla trefigurar, kyrkjelege måleri og bygningsdelar mellom anna frå eldre stavkyrkjer. Objekta frå mellomalderen er også lause kulturminne i overeinskomst med kulturminnelova. .  

Den største delen av den tidlegare kyrkjekunstutstillinga er no lagra i museet sitt kulturhistoriske magasin. 

I samlinga inngår også ei stavkyrkje frå 1100-tallet, Haltdalen stavkyrkje frå Gauldalen, som på 1930-talet vart flytta frå museumsområdet på Kalvskinnet til Sverresborg Trøndelag Folkemuseum.

Foto av utvalde gjenstandar frå samlinga er å finne på Flickr.

Måleri- og bildesamlinga (ca. 400 objekt) inneheld etter-reformatoriske kunstverk og fotografi som har kome til samlingane som tidlegare gåver og kjøp, i hovudsak portrett og landskapsbilde. I denne samlinga tar Vitskapsmuseet også vare på kunstverk frå Trondheim Historiske Forening. Samlinga har ikkje tilvekst, men blir teke i vare som del av den institusjonshistoriske arven til museet og samlingane.

Kurator Kyrkjekunstsamlinga: Professor Birgit Maixner

Kurator Måleri- og bildesamlinga: Senioringeniør Grete Irene Solvold