Музейные собрания экспонируются в трёх отделах – это культура древнего Хорезма, народно-прикладное искусство каракалпаков и изобразительное искусство.
Нукусский музей искусств – это сокровищница, дающая представление о культурном отрезке, начиная с III века до нашей эры (предметы материальной и художественной культуры древнего и средневекового Хорезма – археологические находки Топрак-калы, Ток-калы, Миздахкана и т.д.).
Народно-прикладное искусство каракалпаков (генофонд каракалпакского народа – немногочисленной в прошлом полукочевой этнической группы, проживающей на северо-западе Узбекистана, и имеющей древнейшую историю, самобытную культуру) представлен уникальными предметами ювелирного искусства, текстилем, ковроткачеством.
Отдел изобразительного искусства музея – это крупнейшее художественное открытие. В нем сосредоточена национальная художественная школа Каракалпакстана, творения основоположников живописной культуры Узбекистана – многонационального коллектива художников, работавших в Средней Азии в начале ХХ века (А. Волков, У. Тансыкбаев, М. Курзин, Н. Кашина, Н. Карахан, Е. Коровай и др.).
По оценке специалистов, значимость и масштабность нукусского собрания русского авангарда уступает лишь всемирно известной коллекции Русского музея в Санкт-Петербурге. В его состав входят не только художники, известные широкому кругу зрителей (Л. Попова, Д. Бурлюк, А. Шевченко, Р. Фальк, В. Пестель, М. Ле-Дантю и др.), но и забытые временем имена и неизвестные художники (А. Осмеркин, М. Соколов, П Соколов, Н. Боровая, Н. Тарасов и др.).