Die Sammlungen der Nationalgalerie im Hamburger Bahnhof zeichnen die künstlerischen Strömungen von 1960 bis in die Gegenwart nach. Seit der Eröffnung des Hauses im Jahr 1996 hat die Präsentation der Sammlung Marx mit Werken von u. a. Joseph Beuys, Andy Warhol, Robert Rauschenberg und Cy Twombly einen besonderen Stellenwert – neben den Beständen der Nationalgalerie mit bedeutenden Arbeiten etwa von Dieter Roth, Bruce Nauman oder Carolee Scheemann. Ausgehend von diesen Pionieren der Entgrenzung traditioneller Kunstformen legt das Museum in seinen Ausstellungen und Programmen den Schwerpunkt auf die Interdisziplinarität zeitgenössischer Kunst. Zudem zeigen die Sammlungspräsentationen auch Werke aus der Friedrich Christian Flick Collection sowie der Sammlung Marzona. Die Bestände werden in thematischen Ausstellungen und in wechselnden Sammlungspräsentationen unter dem Titel „Die Sammlungen. The Collections. Les Collections“ präsentiert.

Im Westflügel sind Hauptwerke von Joseph Beuys zu sehen, darunter Das Ende des 20. Jahrhunderts, Straßenbahnhaltestelle, Unschlitt und Richtkräfte einer neuen Gesellschaft. Seit 2016 findet die weltweit einmalige Präsentation großformatiger Skulpturen des deutschen Künstlers eine Erweiterung in der Kleihueshalle. Die jüngste Erwerbung des Sammlers Erich Marx, das Environment Das Kapital Raum 1970–1977, 1980 von Beuys für die Venedig-Biennale geschaffen, ist dort dauerhaft installiert. Die Arbeit bezieht sich, wie ihr Titel ausweist, auf die Begriffsarbeit von Beuys, vor allem auf seinen in Auseinandersetzung mit Karl Marx entwickelten neuen Kapitalbegriff. Beuys hatte in Gesprächen mit dem Publikum während der documenta 5 und 6 u.a. diesen Begriff herausgearbeitet, der sich nicht mehr auf das ökonomische, sondern auf das geistig-kreative Vermögen des Menschen bezog. Insofern hat Beuys die Kunst als modellhaften Ausdruck der Schöpferkraft (Kunst = Kreativität) mit dem Kapital (Kunst = Kapital) gleichgesetzt. Die 36 Tafeln an der Rückwand des Raumes legen Zeugnis von diesem diskursiven Prozess ab. Die auf dem Boden verteilten Instrumente, Gebrauchsgegenstände, getrocknete Gelatine und Tafeln beziehen sich auf zwei Aktionen, die Beuys 1970 in Basel und Edinburgh aufgeführt hatte.

Im Außenraum vor und hinter dem Museumsgebäude sind Skulpturen und installative, zum Teil begehbare Arbeiten von Hans Peter Adamski, Georg Baselitz, Elmgreen & Dragset, Tom Fecht, Urs Fischer, Robert Indiana, John Knight, Bruce Nauman und Franz West ausgestellt. Außerdem ist eine Lichtinstallation des US-amerikanischen Künstlers Dan Flavin zu sehen. Die Leuchtstoffröhren mit blauem und grünem fluoreszierenden Licht entwarf Flavin 1996 eigens für die Fassade und die historischen Seitenflügel des Museums.