ראשיתו של אוסף מוזיאון הרצליה לאמנות עכשווית בציורים שאת רובם תרם תושב העיר אויגן דה־וילה בראשית שנות השישים של המאה העשרים. הללו הוצגו במשכנו הראשון של המוזיאון, בניהולו של דה־וילה, בדירה ברחוב בר־אילן 15 שבמרכז הרצליה. ב־1975 נחנך בעיר בית יד לבנים בשילוב המוזיאון ובאותה עת הוצגו בו, לצד עבודות מהמאות התשע־עשרה והעשרים מאוסף דה־וילה, תערוכות של אמנות ישראלית ובין־לאומית. עם השנים התגבש אופיו של אוסף המוזיאון והתמקד באמנות מודרנית ועכשווית, מישראל ומרחבי העולם. כיום האוסף מונה למעלה מ־3,000 עבודות אמנות. הוא משקף את התערוכות שהוצגו בו, במגוון סוגי מדיה – ציור, פיסול, מיצב, צילום, וידיאו וטקסטיל – וכולל כמה אוספי משנה.
בשנות השמונים התמקד מנהל המוזיאון דאז, יואב דגון, בתחום הפיסול באבן ובחימר. באוסף המוזיאון יותר מ־200 פסלים שנאספו לאורך השנים. בתקופתו נתרמו למוזיאון עיזבונותיהם של ברנרד רדר (בסיוע דבורה שוקן, מנהלת העיזבון) ואוזיאש הופשטטר ויצירות קרמיקה משל מיטב היוצרים והיוצרות בארץ. בגן הפסלים שלצד המוזיאון התגבש בתקופתו של דגון מרחב פיסולי ובו עבודות של מנשה קדישמן, יגאל תומרקין, ציפורה גנדלר ואמנים נוספים.
דליה לוין, שניהלה את המוזיאון מ־1993 עד 2013, התמקדה באמנות עכשווית, ובפרט בצילום ובמיצבי וידיאו. בתקופה זו גם הועשר אוסף המוזיאון בתרומות של אוספי יעקב אלקוב, פרופ' מיכאל אדלר, ועבודות מאוסף האוצר יונה פישר. אוסף יעקב אלקוב כולל 43 יצירות, בהן של אמנים אמריקאים כגון מרסדן הרטלי ומילטון אייברי; ישראלים כגון ראובן רובין ומרדכי ארדון; ויהודים אירופים כגון לסר אורי, מארק שאגאל ויוזף ישראלס. אוסף פרופ' מיכאל אדלר, שעיקרו עבודות משנות השבעים של המאה העשרים, משלים פרק אמנותי מרכזי באוסף המוזיאון, ובו נציגות לאמני קבוצת "אופקים חדשים", זריצקי, שטרייכמן וסטימצקי, לצד אריה ארוך ואמנים מושגיים ופוסט־מינימליסטיים – מיכאל גרוס, מיכאל גיטלין, יהושע נוישטיין, בני אפרת, בוקי שוורץ ועוד.
ד"ר איה לוריא, שמונתה למנהלת המוזיאון והאוצרת הראשית ב־2014, מקדמת את נוכחות האוסף כנדבך חשוב בפעילות המוזיאון. בהצגת האוסף ובחקירתו היא רואה הן ערך אמנותי הן אמצעי חשוב ליצירת קשר בין האמנות לקהל. לדבריה "מוזיאון צריך להיות עם האצבע על הדופק, במצב של התבוננות, עם הפנים קדימה, ועם זאת לאפשר למרחבי העבר להדהד בהווה". ב־2016 הוצב בכניסה למוזיאון פסלו של זוכה פרס ישראל לאמנות פלסטית לשנת 2011, יעקב דורצ'ין, באר אטומה עם מעטפת ברזל וצריח, בתרומתם הנדיבה של תלמה ואליעזר לוין, מידידי המוזיאון. בעשור האחרון נוספות לאוסף המוזיאון מדי שנה יצירות חדשות, המשקפות בעיקר את הרפרטואר האמנותי המוצג בו, אך כוללות גם עיזבונות היסטוריים. בין היתר נוסף לאוסף עיזבון הפסל זאב בן־צבי, בתרומת עיזבון בת האמן, ד"ר רות בן־צבי ז"ל, ובתמיכת ידידי המשפחה הקרובים ונאמני העיזבון, מאירה ויצחק מילנוב. באוסף 35 פסלי ברונזה, גבס ואבן, מתווים לאנדרטאות, וכן ארכיונו האישי של האמן. עיזבון האמן מיכאל ארגוב נתרם בנדיבות בת האמן, גב' ענת אורבך. עבודות מעיזבונותיהם של אורי ליפשיץ ושל האמנית רות דורית יעקבי נתרמו בנדיבות משפחות האמנים. כמו כן, עם התמנותה של לוריא למנהלת המוזיאון הרחיב האוצר הבכיר המנוח יונה פישר את תרומתו לאוסף ותרם עבודות מהאוסף הפרטי שלו, ובו מבחר יצירות קונספטואליות מישראל ומרחבי העולם, המשקפות את טעמו וחושפות טפח מהדיאלוגים שניהל עם אמני האוונגרד של תקופתו.
אוסף מוזיאון הרצליה לאמנות עכשווית התרחב גם באמצעות תרומות ורכישת עבודות דרך פרויקטים מיוחדים. בין 2019 ל־2023 נוספו לאוסף המוזיאון עבודות של אמניות ואמנים רבים, בהם דב אור־נר, סמדר אליאסף, ניבי אלרואי, מאיה ארוך, אניסה אשקר, יאיר גרבוז, רותי הלביץ כהן, נטליה זורבובה, אורי זמיר, רודי להמן, עופר ללוש, סיגלית לנדאו, חוה מחותן, עידו מרקוס, איריס נשר, מאריה סלאח מחמיד, רותם עמיצור, יעל פרנק, מרב קמל וחליל בלבין, אלונה רודה, אלהם רוקני, איוון שוובל, אלי שמיר, ניב תשבי ורבים נוספים. בתקופת מגיפת הקורונה, בשנת 2020, יזם המוזיאון את פרויקט יומני קורונה לרכישת עבודות לאוסף המוזיאון. הפרויקט התאפשר בזכות תמיכתה הנדיבה של קרן הרכישה של פרופ' מיכאל אדלר לאמנות ישראלית והנהלת העמותה למען מוזיאון הרצליה. אנו מודים לכל התורמים בעילום שם ולידידות וידידי המוזיאון על התרומות הנדיבות לאוסף.
ליעקב אלקוב היו חיים מרתקים ומלאי תהפוכות, ולאמנות היה בהם מקום נכבד גם כעיסוק ומשלח יד. באוסף האקלקטי הבינלאומי יש 43 עבודות אמנות פלסטית במגוון סגנונות וטכניקות, רובן מן המאה ה-20, עם מיעוט עבודות מהמאה ה-19 ואף קודם לכך.
ברנרד רדר (1897–1963) היה אמן יהודי יליד צ'רנוביץ שעסק בעיקר בפיסול, בתחריט ובתצריב. לאחר פטירתו עלתה רעייתו ארצה, ועזבונו הופקד בידיה של האוצרת והאספנית דבורה שוקן, שתרמה אותו למוזיאון הרצליה לאמנות עכשווית.
בשנת 2006 תרם פרופ' מיכאל אדלר למוזיאון הרצליה לאמנות עכשווית אוסף ייחודי של אמנות ישראלית. האוסף, שנבנה משנות ה-60 עד שנות ה-90, מתמקד באמנות מופשטת, מושגית ופוסט-מינימליסטית, ומכיל כחמישים יצירות של אמניות ואמנים מובילים בשדה האמנות הישראלי.
בצל משבר הקורונה, יזמה העמותה למען מוזיאון הרצליה בנדיבות קרן פרופ' מיכאל אדלר, פרויקט לרכישת "יומני קורונה" לאוסף המוזיאון – סדרות של עבודות על נייר המתעדות את החוויות בעת תקופת המגפה, במטרה לתמוך בקהילת האמנות בארץ ולייצר קפסולה היסטורית באוסף המוזיאון של יצירה בתקופה זו.
ביצירתו ובמסלול חייו של מיכאל ארגוב (1982-1920) כרוכים יחד מחקר אמנותי, טמפרמנט אקספרימנטלי, יכולת ביטוי אידאולוגית ומעורבות פעילה בשדה האמנותי שבו פעל. בשנות ה-70 פנה ארגוב להפשטה גאומטרית בסגנון "אופ ארט". הוא דגל בשחרור יצירת האמנות מחלליה המסורתיים ויצר עבודות מונומנטליות עבור מבני ציבור ברחבי ישראל.
זאב בן־צבי (1904, פולין – 1952, ישראל) היה אמן ומחנך, ממבשרי המודרניזם בפיסול בארץ. הוא ידוע בפיסול דיוקנאות של ראשי היישוב והמנדט הבריטי ושל אנשי תרבות ורוח, לצד אנדרטאות ופסלים ציבוריים. מרבית העבודות המצויות באוסף נוצרו בשנות השלושים והארבעים של המאה שעברה ומדגימות את הסכמטיזציה הקוביסטית שהייתה לסגנון המזוהה עם האמן.