La collezione pubblica di opere d'arte moderne venne in un primo tempo conservata nella sede vicino alla Mole Antonelliana, dove erano presenti anche le opere antiche. Dal 1895 al 1942, le opere vennero poi collocate in un padiglione che verrà distrutto dai bombardamenti della seconda guerra mondiale. Nello stesso luogo venne costruita l'attuale sede su progetto di Bassi e Boschetti, aperta nel 1959. In seguito a lavori di ampliamento negli anni Ottanta, l'edificio è ora formato dalla galleria per la mostra permanente e da altre sale che ospitano esposizioni temporanee. La collezione della Galleria è composta da circa quindicimila opere tra sculture, disegni, fotografie e dipinti, prevalentemente di artisti italiani, di un periodo che va dalla fine del Settecento ad oggi. Il percorso è principalmente di tipo cronologico, cominciando dalle opere d'arte dell'Ottocento tra cui si trovano quelle di artisti come Pellizza da Volpedo, Fattori, Medardo Rosso, e il piemontese Fontanesi. La sezione del Novecento comprende anche Morandi, De Pisis, Fontana, Burri e l'artista locale Casorati. Una sezione a parte è rappresentata dalle opere di avanguardia internazionale come quelle di Balla, Boccioni e De Chirico, Picabia e Ernst fino alle correnti dell'Astrattismo, dell'Informale, dell'Arte Povera e della Pop Art all'italiana. Le acquisizioni di nuove opere per arricchire la collezione e l'allestimento di eventi ed esposizioni è un compito affidato alla Fondazione De Fornaris, nata a Torino nel 1982 per volontà di Ettore De Fornaris, grande collezionista.

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