В фондах музея хранится cвыше 500 произведений живописи. Коллекция включает обширную портретную галерею Толстого и его окружения, пейзажи Ясной Поляны и других мест, связанных с Толстым, иллюстрации к его произведениям. Одно лишь перечисление имен говорит об уровне собрания. В фондах и в экспозиции музея находятся выдающиеся работы И. Е. Репина, Н. Н. Ге, Л. О. Пастернака, М. В. Нестерова.
Современники Толстого, его друзья и почитатели, среди которых было немало художников, понимали важность сохранения для потомков всего, что связано с именем великого писателя. Еще в 1908 году, в канун празднования 80-летнего юбилея Толстого, они задумали создать музей его имени. И. Е. Репин стал почетным членом возникшего в Петербурге Общества Толстовского музея. В «комитете почина» по организации музея в Петербурге принял деятельное участие скульптор И. Я. Гинцбург, так много работавший над изображением Толстого в скульптуре. Многие жертвовали свои произведения в дар музею.
В организации и открытии Толстовского музея в Москве, которое состоялось уже после смерти писателя, в декабре 1911 года, непосредственное участие приняли Л. О. Пастернак, В. В. Переплетчиков, С. Д. Меркуров, автор посмертной маски Л. Н. Толстого, и другие.
Уже тогда в коллекции музея находились значительные художественные ценности, которые и сейчас составляют гордость музея. Среди них — выдающиеся работы И. Н. Крамского, И. Е. Репина, Н. Н. Ге, Л. О. Пастернака, М. С. Башилова, С. Н. Салтанова, И. Я. Гинцбурга, П. П. Трубецкого, работы дочери Толстого Т. Л. Сухотиной-Толстой. Многие художественные произведения были подарены музею старшими детьми Толстого — Сергеем, Ильей и Татьяной. Свою лепту в пополнение коллекции внесли также друзья и близкие писателя: В. Г. Чертков, А. К. Черткова, Ю. И. Игумнова, П. И. Бирюков, Н. Л. Оболенский и др.
Основу изобразительной коллекции составляет галерея прижизненных портретов писателя — от самого первого, выполненного рукой непрофессионального художника, профильного изображения будущего писателя в его студенческую пору, до последнего, одного из самых драматических портретов, созданного художником В. Н. Мешковым незадолго до смерти Л. Н. Толстого.
Открывает живописную портретную галерею блестящий портрет писателя в пору расцвета его творчества, в период между двумя романами — «Войной и миром» и «Анной Карениной», работы И. Н. Крамского (1873 г.). В экспозиции представлена его копия, исполненная в 1912 году художником-передвижником Н. В. Орловым, произведения которого на крестьянскую тему высоко ценил Лев Николаевич.
Среди других выдающихся портретов, исполненных с натуры, особое место занимают работы ближайшего друга и единомышленника Толстого Н. Н. Ге (живописный портрет 1891 г. и бюст — первое изображение писателя в скульптуре, 1891 г.) и портреты работы И. Е. Репина, живописные, графические, а также скульптурные. С И. Е. Репиным писателя связывала многолетняя прочная дружба. Ему же принадлежат портреты ближайшего окружения Толстого, его родных и друзей — С. А. Толстой, дочерей Татьяны и Марии, сына Льва, друзей писателя В. Г. Черткова, М. А. и С. А. Стаховичей.
Художники, которым довелось видеть и знать Толстого, писать его, каждый раз открывали в нем все новые и новые грани сложной грандиозной личности, не всегда доступной пониманию, но обладающей большой притягательной силой.
М. В. Нестеров, писавший Толстого в 1907 году для задуманной им грандиозной картины «На Руси», признается в том, как трудно дать в искусстве целостный образ писателя: «Познакомившись <с Толстым>, я увидел еще многое, что ускользнуло от тех, кто писал с него, ускользнуло и от меня, хотя и я успел взять от него то, что мне было нужно для моих целей». Помимо живописного портрета 1907 года и его повторения 1921 г., в фондах музея находится десять портретных карандашных изображений писателя, сделанных Нестеровым в Ясной Поляне летом 1906 года. Среди них одиy рисунок был особенно дорог Толстому, он напоминал ему «своим выражением, мягкостью братца Николеньку».
Художнику Л. О. Пастернаку, которому, как и Репину, выпало счастье на протяжении многих лет знать Толстого и писать его, более того — работать с ним над воплощением в графике образов романа «Воскресение», удалось в целом ряде картин выразить свое понимание писателя. Сам художник считал все сделанное им о Толстом своего рода мемуарами на языке изобразительного искусства. Музей Толстого — обладатель наиболее полной толстовианы Пастернака (более 200 произведений), только портретных работ в музее 36. Среди них самый значительный, столь непохожий на другие портреты по своей образной характеристике — обобщенный до символа — портрет 1901 года, изображающий Толстого в профиль на фоне грозового неба.
В разные годы писали Толстого художники А. В. Моравов, Ю. И. Игумнова, И. П. Похитонов, П. И. Нерадовский. В советское время — С. В. Малютин, А. А. Пластов, К. И. Рудаков, Б. В. Щербаков, Д. А. Шмаринов и др.
Особую группу произведений в изобразительном фонде музея составляют работы представителей рода Толстых, в том числе и детей Льва Николаевича, а также его жены Софьи Андреевны Толстой. Это барельефы и силуэты Ф. П. Толстого, Д. Н. Толстого, брата писателя, тетушек А. И. Остен-Сакен, А. А. Толстой, многочисленные портреты Толстого и его окружения работы дочери писателя Татьяны Львовны, талант которой ценили И. Е. Репин и Н. Н. Ге. Эту группу замыкают пейзажи Ясной Поляны и Хамовников кисти уже нашего современника, правнука писателя О. В. Толстого.
Виды мест, связанных с жизнью и творчеством Л. Н. Толстого, запечатлели художники С. Н. Салтанов, В. К. Бялыницкий-Бируля, В. П. Батурин, С. А. Виноградов, П. И. Петровичев, Б. В. Щербаков и др.
Коллекция музея постоянно пополняется, у музея всегда существовали и существуют прочные связи с художниками, которым дорого творчество писателя.