Początki bydgoskiej kolekcji sięgają 1922 roku, Leon Wyczółkowski ofiarował wówczas Muzeum Wielkopolskiemu w Poznaniu bogaty zbiór sztuki wschodniej, zawierający: dywany, makaty, kilimy, wazony, misy, szkła, zabytkowe meble oraz dzieła malarskie i graficzne. Za  ten dar Poznański Wydział Krajowy przekazał artyście dworek w Gościeradzu pod Bydgoszczą.
Po śmierci artysty, 8 kwietnia 1937 r. żona Franciszka zgodnie z ostatnią wolą męża, przekazała miastu 425 prac, szkicowniki oraz pamiątki osobiste i wyposażenie pracowni. Akt darowizny zobowiązywał miasto  do sprawowania opieki nad zbiorem, popularyzacji twórczości i upamiętniania rocznic związanych z artystą oraz opieki nad jego grobem.
W 1939 r. liczba wszystkich zbiorów artystycznych obejmowała 458 pozycji, z czego podczas II wojny światowej zaginęło 155 prac.
W 1946 r., muzeum wznowiło działalność wystawienniczą ekspozycją dzieł  artysty, wówczas też otrzymało imię Leona Wyczółkowskiego.

W 1948 r. przyjaciel Wyczółkowskiego, inż. Kazimierz Szulisławski z rodziną, ofiarował muzeum w darze 110 pozycji.
Obecnie zbiór prac malarskich, rysunkowych i graficznych Leona Wyczółkowskiego w bydgoskim muzeum liczy 691 pozycji, w tym 20 szkicowników, zawierających 597 szkiców.

Kolekcja zawiera prace  z różnych okresów twórczych artysty, od dzieł z wczesnej młodości po ostatnie lata życia. Muzeum posiada wczesne obrazy olejne Leona Wyczółkowskiego z końca XIX w. powstałe pod wpływem twórczości Wojciecha Gersona i Jana Matejki oraz innych artystów.

Okres ukraiński poświecony ludowi, jego pracy i przyrodzie reprezentowany jest pracami olejnymi i pastelami. W twórczości okresu krakowskiego przeważa zabytkowa architektura, pejzaże Tatr, ale również  portrety i kwiaty. Posiadamy kilkanaście autoportretów, wykonanych w różnych technikach oraz liczną grupę portretów przyjaciół i znajomych artysty.

Największą grupę dzieł stanowią prace powstałe w okresie gościeradzkim, między innymi drzewa: świerki, cisy, dęby, malowane tuszem, akwarelą, pastelami oraz widoki z Pomorza.

W ramach  kolekcji przechowywane są również prace graficzne, wykonane w  różnych technikach: akwaforcie, akwatincie, miękkim werniksie, kamieniorycie, algrafii i litografii, która  była ulubioną techniką Leona Wyczółkowskiego. Obok czarno-białych litografii posiadamy także kolorowe. Prace graficzne tworzył w zamkniętych cyklach-tekach, względnie pojedynczych planszach.

Zbiory biograficzne

W zbiorze tym  znajdują się materiały ikonograficzne dotyczące Leona Wyczółkowskiego, podzielone na grupy, w zależności od zawartości.

I grupa
1. Dokumenty osobiste artysty 
2. Pisma dotyczące Wyczółkowskiego
3. Notatki rękopisowe Wyczółkowskiego
4. Wspomnienia i wiersze o artyście

II. Korespondencja
  
1. Listy Wyczółkowskiego pisane do żony
2. Listy Wyczółkowskiego pisane do różnych osób
3. Listy pisane do Wyczółkowskiego (w tym telegramy gratulacyjne)

III. Akta dotyczące zbioru Leona Wyczółkowskiego w Muzeum Okręgowym w Bydgoszczy

IV. Materiały dotyczące zgonu artysty

1. Nekrologi, klepsydry

V. Zdjęcia z archiwum Leona Wyczółkowskiego
  
1. Zdjęcia dotyczące Leona Wyczółkowskiego
2. Zdjęcia znajomych Wyczółkowskiego
3. Zdjęcia z pogrzebu i uroczystości pogrzebowych Leona Wyczółkowskiego
4. Zdjęcia z pobytu w Legionowie
5. Zdjęcia różne, w tym  tematów twórczych 

(Zbiór zdjęć wynosi około 400)

VI. Pamiątki osobiste, w tym meble

VII. Warsztat twórczy, narzędzia pracy

VIII. Wydawnictwa, plakaty, prasa