Magnus Enckell, Poikia rannalla, 1910.

Amos Rexin kokoelma on yksi Suomen laajimmista yksityisistä taidekokoelmista. Se kattaa 7000 taideteosta, joista suurin osa on maalauksia, veistoksia, piirustuksia, grafiikkaa ja valokuvia. Lisäksi kokoelma sisältää huonekaluja ja muita esineitä Amos Andersonin (1878–1961) kodista. Amos Andersonin omaan kokoelmaan kuului yhteensä 250 maalausta ja veistosta.

Valtaosa Amos Rexin kokoelman taideteoksista on hankittu Amos Andersonin kuoleman jälkeen. Kokoelma sisältää enimmäkseen 1900-luvun suomalaista modernia taidetta. Teoksia on Marraskuun ryhmän William Lönnbergiltä, Ragnar Ekelundilta ja Alvar Cawénilta, 1930- ja 1940-luvun taidetta Sulho Sipilältä sekä Rabbe ja Torger Enckelltä myös Prisma-ryhmän taiteilijoilta, kuten Yngve Bäckiltä, Sigrid Schaumannilta ja Sam Vannilta.

Teoshankintojen lisäksi museo on saanut vuosien varrella useita lahjoituksia. Felix Nylundin ja Birger Carlstedtin lahjoituskokoelmien myötä kokoelma on muuttunut kyseisten taiteilijoiden aarreaitaksi. Merkittävien lahjoitusten ansiosta mm. taiteilijat Santeri Salokivi, Gunvor Grönvik, Georg Engeström, Olli Lyytikäinen ja Rabbe Enckell ovat hyvin edustettuina kokoelmassa. Kokoelma sisältää myös runsaasti suomalaista grafiikkaa, sekä ulkomaista grafiikkaa mm. taiteilijapariskunnalta Volker ja Maija Dallmeier.

Lisäksi Amos Rex säilyttää Sigurd Frosteuksen taidekokoelmaa. Kokoelman teoksia on esillä kokoelmasalissa.