Il nucleo originario del patrimonio della Pinacoteca Nazionale si formò in seguito a due accadimenti: il primo fu la legge sulla soppressione degli ordini ecclesiastici (Regio Decreto n. 3036 del 7 luglio 1866) che autorizzava il prelievo delle opere e degli arredi più significativi da parte dello Stato; il secondo fu la distruzione nel 1875 della chiesa di San Francesco, che sorgeva nel quartiere storico di Stampace a Cagliari.
Il 1 novembre 1871 un fulmine colpì il campanile di San Francesco causando gravissimi danni alla struttura. Purtroppo i progetti realizzati per il recupero della struttura non trovarono attuazione e si arrivò nel 1875 alla drammatica decisione della demolizione. La distruzione della Chiesa portò in Pinacoteca un gran numero di retabli e altri dipinti di grande pregio.
Tutto il materiale raccolto fu alloggiato a palazzo Belgrano, nell’attuale via Università, e nel 1889 fu preso in consegna da Filippo Vivanet, Commissario dei Musei e degli Scavi di Antichità, e inventariato da Vincenzo Crespi, Conservatore del Museo.
La collezione pittorica assieme ai reperti archeologici che componevano il primo “Museo di Antichità” fu trasferita nel Palazzo Vivanet in via Roma. Lo spazio espositivo risultò, sin da subito, insufficiente rispetto alla quantità e alla varietà del materiale conservato. In seguito all’esigenza di trovare una collocazione per i reperti, fu progettata da Dionigi Scano una nuova sede museale nello spazio precedentemente occupato dalla Reale Zecca.
Nel 1904 venne inaugurato il Regio Museo Archeologico in piazza Indipendenza.
La collezione storico-artistica e quella etnografica furono esposte negli ambienti del Palazzo delle Seziate, l’edificio contiguo al Museo.
Dal 1955, nell’area dell’ex Regio Arsenale, pesantemente danneggiata dai bombardamenti della seconda guerra mondiale, iniziarono i lavori per la creazione della Cittadella dei musei: un polo culturale che avrebbe ospitato l’Università e altre istituzioni culturali. I lavori, seguiti dagli architetti Libero Cecchini e Pietro Gazzola, hanno valorizzato quello che rimane delle antiche fortificazioni e degli edifici militari del Regio Arsenale, trasformando l’area in luogo di esposizione e fruizione, in cui sono ospitati anche il Museo Archeologico e la Pinacoteca a partire dagli anni ’90.
Dopo una serie di lavori di adeguamento e di allestimento, la Pinacoteca Nazionale fu aperta al pubblico il 1 luglio 1992.