Палехская коллекция представлена более, чем 800 экспонатами. В собрание вошли работы нескольких поколений мастеров, начиная от создателя палехского стиля – великого художника И.И.Голикова, открывшего тайну нового искусства не только палешанам, но и художникам других иконописных центров, таких как Холуй и Мстёра. Основу коллекции составляют произведения замечательных живописцев: И.М.Баканова, А.И.Ватагина, И.В.Маркичева, И.И.Зубкова и А.И.Зубкова, Д.Н.Буторина, А.Н.Буторина, А.В.Котухина, В.Котухина, И.П.Вакурова, А.А.Дыдыкина, Н.М.Зиновьева.
Большой интерес представляют работы, отражающие еще одно направление творчества мастеров Палеха с оформление светских помещений. В собрании музея хранятся эскизы на папье-маше заслуженного художника РСФСР В.М.Ходова «Левша» и «Три толстяка» для детского музыкального театра имени Н.Сац, Москва.
Тесные контакты сотрудников музея с палехским центром лаковой миниатюрной живописи помогли приобрести лучшие работы художников «серебряного периода» палехского искусства, чей период творческой активности начался в 1960 – 1970-е годы. Собрание этого периода не имеет равных по полноте среди российских музеев. В него вошли произведения народного художника РСФСР Б.М.Ермолаева («Лад», «Былины», «Русские сказки», «Песнь Яриле»), заслуженной художницы РФ Т.М.Ходовой («Семик», «Встреча победителей, «Перевоз Дуня держала», «Финист-ясный сокол»), заслуженной художницы РФ И.В.Ливановой («У родника», «Малинка», «Капустницы»), заслуженной художницы РФ Е.Ф.Щаницыной (диптих «Венчание» и «Жатва»), последние работы выдающаяся мастера О.В.Ана («Несение креста») и заслуженного художника РФ Н.П.Лопатина («Рапсодия», «Кто кого» и «Сказка о царе Салтане»).