Muzeja galvenā ēka atrodas Rīgā, Jaņa Rozentāla laukumā 1.

Tā celta no 1903. līdz 1905. gadam un ir ievērojama historisma stila celtne. Ēku projektējis Vilhelms Neimanis, viņš bija arī muzeja pirmais direktors no 1905. līdz 1919. gadam. Ēka ir viena no pēdējām Rīgā būvētajām eklektisma celtnēm, tā veidota barokālās formās, apdarē izmantojot apmetumu, smilšakmeni un granītu. Interjera apdarē vērojamas jūgendstila iezīmes.

Muzejam ir arī izstāžu zāle "Arsenāls" Torņa ielā 1.

2008. gadā LNMM tika atvērta jauna filiāle Romana Sutas un Aleksandras Beļcovas muzejs Elizabetes ielā 57a — 26 , bet 2010. gadā LNMM pievienoja Ārzemju mākslas muzeju (AMM) Doma laukumā 6, un Dekoratīvās mākslas un dizaina muzeju (DMDM) Skārņu ielā 10/20.

1869. gads uzskatāms par muzeja dibināšanas gadu — tad tika atklāta Pilsētas gleznu galerija.

1905. gadā to pārdēvēja par Rīgas Pilsētas mākslas muzeju,

1920. gadā par Latvijas Valsts mākslas muzeju 

1940. gadā — par LPSR Padomju mākslas muzeju,

1945. gadā — par LPSR Valsts latviešu un krievu mākslas muzeju,

1964. — par LPSR Mākslas muzeju.

1987. gadā muzejs ieguva nosaukumu Valsts mākslas muzejs, bet

1995. gadā — Latvijas Nacionālais mākslas muzejs.

Sākotnēji muzejā glabājās galvenokārt ārzemju mākslinieku darbi no vairākām privātkolekcijām. Latviešu autoru darbu kolekcionēšanu veicināja Vilhelms Purvītis — muzeja direktors no 1919. līdz 1940. gadam.