Las colecciones del Siglo XIX del Museo son, simultáneamente, las más numerosas y las menos conocidas entre los conjuntos de pintura conservados por el Prado. Procedentes en buena medida del Museo de Arte Moderno, que se integró en el Prado en 1971, fueron expuestas en el Casón del Buen Retiro entre esa fecha y 1997. En 2007, una selección de las mismas inauguró, bajo la rúbrica El siglo XIX en el Prado, las salas de la ampliación del Museo. Desde 2009 se exponen, en el edificio histórico de Villanueva, las pinturas más destacadas.

Un total de doce salas permite una completa visión del arte español del siglo XIX a través de sus obras maestras, con algunas aportaciones de arte europeo. Se inicia el recorrido con la galería dedicada al arte neoclásico, Goya y Vicente López. Aunque Goya cuenta con numerosas salas propias, el propósito de reunir alguna de sus obras con su inmediato entorno obedece a la necesidad de comprender de un modo completo el panorama del primer tercio del siglo, al que se dedica esta sala. En ella hay una amplia representación de escultura neoclásica y, junto a la maqueta original del edificio de Villanueva, se exponen los retratos de los reyes fundadores del Museo, que abrió sus puertas justamente en este periodo.

Dos salas dedicadas al romanticismo permiten ver las obras maestras de sus máximos representantes en España, como Genaro Pérez Villaamil, junto a David Roberts, iniciador del paisajismo moderno en nuestro país, Antonio María Esquivel y Federico de Madrazo, destacados retratistas.

La pintura de historia fue el género más importante desde la década de 1850 hasta la de 1880. Dado que las mejores obras se adquirían en las Exposiciones Nacionales con destino al Museo, este conserva la casi totalidad de las obras maestras de este género, expuestas en tres grandes salas. La primera de ellas está dedicada a Eduardo Rosales, representado además con pinturas de otros géneros que atestiguan la relevancia de su orientación realista. En la segunda destaca la obra máxima de Francisco Pradilla, Doña Juana la Loca, y, en la tercera, la de Antonio Gisbert, El fusilamiento de Torrijos y sus compañeros. Otros núcleos, como el paisaje realista, con numerosas obras de Carlos de Haes, la pintura luminosa de Mariano Fortuny y Martín Rico, y la influencia de la pintura francesa (representada por Paul Baudry y por Jean-Louis-Ernest Meissonier) en Raimundo de Madrazo, preceden a las evolución final hacia el naturalismo, que culmina en Joaquín Sorolla y Aureliano de Beruete.

Dado el amplio número de estas colecciones (2690 obras), la última sala (nº 60) se dedica a presentar temas o aspectos relevantes no expuestos habitualmente. Así, en ella se han organizado desde 2009 siete diferentes exposiciones que han incluido también dibujos, acuarelas y estampas. Este programa ha permitido recuperar, restaurar, estudiar, exponer y difundir obras de artistas, géneros o periodos de interés y calidad poco conocidos, cumpliendo con ello las finalidades esenciales del Museo.