Формирование коллекции началось еще до официального учреждения Нукусского музея. В конце 1950-х – начале 1960-х гг. Игорь Витальевич Савицкий занимался коллекционированием предметов каракалпакского народно-прикладного искусства в Каракалпакском филиале Академии наук Узбекистана. Им также был сформирован археологический отряд, целью которого был сбор предметов искусства древнего Хорезма. Таким образом, первоначальным ядром музейной коллекции стало древнее и народно-прикладное искусство приаральского региона, на территории которого сегодня находится Каракалпакстан.
После образования Музея в 1966 году круг коллекционируемых предметов резко расширился. Даты закупок, приводимые в двух обширных каталогах музея («Авангард, остановленный на бегу», 1989, и «Советское искусство 1920-1930-х годов из собрания Государственного музея искусств Каракалпакской АССР имени И.В. Савицкого», 1991), дают возможность проследить эволюцию музейных интересов коллекционера и директора Музея. Его первоначальные приобретения были связаны с именами центральноазиатских художников, чье творчество критиковалось в предыдущие десятилетия за «формализм» и прочие деривации от «генеральной линии». Работы Александра Волкова, Михаила Курзина, Александра Николаева (Усто-Мумина), Виктора Уфимцева, Елены Коровай, Николая Карахана, Оганеса Татевосяна, Надежды Кашиной, Урала Тансыкбаева, Ильи Мазеля и других художников попадали в коллекцию И.В. Савицкого либо из семейных собраний, либо от самих художников. В отдельных случаях, как, например, обстоит дело с ранней живописью И. Мазеля, У. Тансыкбаева или Н. Карахана, Нукусская коллекция обладает огромными преимуществами перед любым другим собранием. Ее отличительной особенностью было стремление коллекционера к собиранию по «монографическому принципу» с охватом цельных пластов творческого пути художников, включающих наброски и эскизы.
В 1970-е – 1980-е годы Савицкий перешел к более широкому коллекционированию советских художников, не отодвигая в то же время на задний план среднеазиатское искусство. По преимуществу его интересовали художники 1910-х – 1950-х годов, участвовавшие в развитии формального языка нового искусства. Его особое внимание было также приковано к художникам забытым, табуированным, репрессированным, исключенным из художественной и социальной жизни. Так, знаменитые имена в его коллекции (Д. Бурлюк, М. Ле-Дантю, П. Кузнецов, А. Куприн, А. Осмеркин, Л. Попова, Р. Фальк, А. Шевченко и др.) перемежаются с гораздо менее известными (Н. Боровая, Д. Гриневич, В. Комаровский, Е. Лысенко, Н. Тарасов, А. Ставровский, Д. Лопатников, А. Поманский, В. Шухаев, К. Редько, С. Никритин, А. Рыбников, И. Кудряшов и другие).
Отдельный и относительно небольшой раздел собрания составляют произведения советских шестидесятников и представителей неофициальной культуры 1970-х, таких как М. Шемякин, С. Рубашкин и другие.
Нукусский музей обладает также самой крупной коллекцией каракалпакских художников – Г. Абдурахмановой, А. Атабаева, Э. Жолдасова, Ж. Изентаева, Ж. Куттымуратова, А. Утегенова, А. Шпаде и других.
После смерти И.В. Савицкого, коллектив Музея продолжил пополнение коллекции. В собрание поступали произведения, уже отобранные ранее Савицким или закупленные новым руководством Музея. В настоящее время его коллекции, согласно последним данным официальных источников, насчитывают около 90 тысяч единиц хранения. Некоторые художники представлены в этом собрании сотнями (А. Волков, У. Тансыкбаев, М. Соколов), а некоторые – даже тысячами произведений (Н. Карахан, И. Мазель).