Didrichsenin taidemuseon kokoelmat eivät ole pysyvästi esillä sisätiloissa. Museon toiminnan painopiste on vaihtuvien näyttelyjen järjestämisessä, joiden teemat linkittyvät museon kokoelmiin tai historiaan. Näyttelyjen yhteydessä valikoituja teoksia nostetaan esille kokoelmasta rinnakkaisesittelyihin tai osaksi vaihtuvaa näyttelyä. Lisäksi veistospuistossa on pysyvästi esillä toistakymmentä veistosta. 

​

Didrichsenin noin 1000 teoksen kokoelma on syntynyt vuosikymmeniä kestäneen keräily- ja museotoiminnan tuloksena. Teoksista suurin osa on museon perustajien Gunnar ja Marie-Louise Didrichsenin alun perin omaan taidekokoelmaansa hankkimia. Pariskunta keräsi taidetta viidellä vuosikymmenellä, 1940-luvulta lähtien. Heidän taidemakunsa ja ennakkoluulottomuutensa hankinnoissa heijastuvat tänäkin päivänä museon näyttelyohjelmaan. Viime vuosikymmeninä uusia teoksia kokoelmaan on ostettu pääosin museon järjestämien näyttelyiden yhteydessä.

​

Hankintojen pääpaino oli ensimmäisinä vuosina kotimaisessa maalaustaiteessa 1800- ja 1900-lukujen taitteen molemmin puolin. 1960-luvulta lähtien Didrichsenit olivat enenevissä määrin kiinnostuneita myös kotimaisesta ja kansainvälisestä modernismista. Kuvataiteen lisäksi kokoelmiin kuuluu muinaisten korkeakulttuurien esineistöä. Museolla on myös Suomen ainoa esikolumbiaaninen kokoelma, joka sisältää ainutlaatuisia esineitä mm. Meksikon, Keski-Amerikan ja Andien alueilta.

​