Im Museumsbau der Architekten Rittmeyer und Furrer, er wurde am 2. Januar 1916 eingeweiht und eröffnet, ist eine der bedeutendsten Kunstsammlung der Schweiz vom ausgehenden 19. Jhdt. bis zur Gegenwart und das Naturmuseum untergebracht. Die Kunstsammlung wird seit mehr als 100 Jahren –unter Mithilfe der grossen Winterthurer Sammler- durch den Kunstverein ausgebaut und verwaltet. Sie ist im ersten Obergeschoss und im Erweiterungsbau anzutreffen. Der 1848 gegründete Kunstverein Winterthur ist Eigentümer dieser bedeutenden Kunstsammlung, die er durch Ankäufe mit Unterstützung des Galerieverein laufend ausbaut. Das Kunstmuseum Winterthur besitzt neben den Museen von Basel, Zürich und Bern die vierte grosse öffentliche Sammlung von Kunst des 20. Jahrhunderts in der Schweiz.
Daneben organisiert der Kunstverein hochkarätige Ausstellungen, publiziert Kataloge und veranstaltet Führungen und Anlässe. Seit dem Anbau des neuen Traktes 1995 durch die Architekten Annette Gigon und Mike Gujer konnte die Ausstellungsfläche fast verdoppelt werden, was nun eine der Bedeutung der Werke angemessene Präsentation ermöglicht. Diese seit langen gewünschte Erweiterung wurde durch private Donatoren ermöglicht und bezahlt. De Kunstverein wird von der Stadt Winterthur und dem Kanton Zürich subventioniert, bleibt aber auf die Unterstützung seiner Mitglieder und Gönner angewiesen. 2010 konnte, nach dem die Stadtbibliothek (ohne die Studienbibliothek) in ein neues Haus am Kirchplatz gewechselt hat, eine Erneuerung und Erweiterung in Betrieb genommen werden.
Unter dem Hof wurde in Kellerräumen der Depotbereich wesentlich ausgebaut. Im unteren Gebäudeteil wurde Räumlichkeiten für die Museumspädagogik, den Museumsshop und ein Museumscafé gebaut. Das historische Gebäude entspricht nach dem komplexen Umbau wieder den Anforderungen an einen zeitgemässen und kundenfreundlichen Kulturbetrieb und präsentiert sich insgesamt frischer. Die Architekten Silvio Schmed und Arthur Rüegg aus Zürich waren für den Umbau verantwortlich. Gekostet hat er 19,3 Mio. Franken.
