Dès son ouverture, le musée se distingue par la très grande qualité de ses collections d'art moderne. Cette attention apportée aux aspects les plus novateurs de l'art du XIXe siècle et des premières années du XXe siècle est confortée en 1947 par le don d'une infime partie de la collection du marchand d'art Ambroise Vollard. Musée d'art et d'histoire à l'origine, le musée Léon-Dierx devient alors principalement un musée d'art, orientation confortée dans la seconde moitié du XXe siècle.
Le fonds initial : un musée d'art et d'histoire. Deux thématiques principales : l'art européen occidental, avec des œuvres montrant les avancées les plus importantes de la peinture au XIXe siècle, et l'histoire de La Réunion. Un bouquet de fleur de Vlaminck, un paysage de Valtat, des dessins de Maximilien Luce côtoient des objets d'art évoquant la vie quotidienne de l'élite créole, des souvenirs historiques, des portraits de notables de la colonie, des œuvres d'art d'artistes réunionnais du XIXe siècle comme Adolphe Le Roy, Louis Antoine Roussin ou les Grimaud. Une sculpture de Bourdelle, un buste de Carpeaux, s'offrent à la vue à côté des moulages des cathédrales gothiques françaises. Après des débuts prometteurs, la politique d'enrichissement des collections est poursuivie avec intensité dans les années 1913-1914 puis se fait moins importante. A noter cependant l'entrée en 1913 d'un fonds important de gravure et lithographies inspirées du roman « Paul et Virginie » et le legs Le Coat de Kervéguen en 1922 : il vient enrichir le musée d’œuvres d'Adèle Ferrand (1817-1848), peintre de la génération romantique, venue s'installer dans l'île à la fin des années 1840.
1947, la donation Vollard : un musée tourné vers l'art moderne. En 1947, Lucien Vollard donne au musée 157 œuvres d'art provenant de la collection de son frère, Ambroise Vollard, le célèbre marchand de tableau parisien né à La Réunion en 1866. Marius et Ary Leblond ont participé à la sélection des tableaux, sculptures et surtout estampes, représentant 63 artistes d'avant-garde défendus par le marchand. Les œuvres arrivent à La Réunion au mois d'août 1947. Gustave Caillebotte, Paul Cézanne, Paul Gauguin, Auguste Renoir, Odilon Redon, Pablo Picasso, Maurice Denis, Georges Rouault, Raoul Dufy, Emile Bernard, sont dorénavant exposés au musée Léon-Dierx qui devient ainsi une référence incontournable parmi les musées évoquant l'histoire de l'art moderne occidental. Le musée s'est attaché depuis à enrichir ce fonds d'art moderne.
Une collection d'art contemporain inédite. Durant les années 1990, le musée Léon-Dierx a constitué une remarquable collection d'art contemporain en faisant appel à des artistes tel que Ange Leccia, Chen Zen, Jean Le Gac, Yan-Pei Ming, Peter Knapp etc. Des pièces d'artistes réunionnais contemporains ont également été achetées. Les œuvres, les installations ou les vidéos de ces artistes exposées en alternance forment un ensemble représentatif remarquable de l'art de la fin du XXe siècle.