Aperta nel 1851 in Palazzo Tosio, la prima pinacoteca fu costituita con le ricche collezioni artistiche, legate nel 1832 dal conte Paolo Tosio e con dipinti e oggetti provenienti da altri legati e da edifici sacri soppressi o demoliti.
Nel 1884 il Conte Leopardo Martinengo da Barco lasciò al Comune la biblioteca, le collezioni scientifiche e d'arte e il proprio palazzo (ristrutturato nei secoli XVII-XVIII su un edificio cinquecentesco) dove, nel 1908, le due pinacoteche si fusero nella Tosio Martinengo. Presso lo stesso edificio trova posto la consistente.
La facciata ovest si apre sulla piazza dove, nel 1898, fu eretto, ad opera dello scultore Domenico Ghidoni, il monumento al pittore bresciano Alessandro Bonvicino, detto il Moretto.
Sulla linea di riallestimento avviata nel 1994 oggi la Pinacoteca si propone rinnovata secondo un criterio espositivo che, avendo promosso campagne di restauro e grazie a successivi acquisti e depositi, racconta, con culmini in alcune opere principali, la storia dell'arte bresciana e a Brescia dal Trecento al Settecento.
Dopo un omaggio a Paolo Tosio, con una selezione della sua collezione (vi spicca Raffaello insieme ad altri autori italiani e stranieri), le opere offrono un percorso che culmina nella grande stagione del Rinascimento bresciano, da Foppa alla generazione di Romanino, Moretto, Savoldo. Per il Seicento e il Settecento al Ceruti e ai pittori locali, si accostano importanti apporti forestieri permettendo una significativa illustrazione del ritratto e della pittura di genere.
Attualmente la pinacoteca ospita a rotazione un ciclo di mostre, ricordato anche nel cenno bibliografico, rivolto, nella medesima linea del riallestimento degli anni Novanta, ai momenti particolarmente significativi della storia dell'arte svoltasi a Brescia.
Presso lo stesso edificio è ospitata la consistente Sezione Disegni e Stampe.

Dal 2009 la Pinacoteca è chiusa per importanti lavori di manutenzione tecnica e restauro degli ambienti.
Un rilevante numero di opere, fra cui i maggiori capolavori della raccolta (Raffaello, Foppa, Savoldo, Romanino, Moretto, Moroni, Ceruti) è tuttavia visitabile presso il Museo di Santa Giulia, nell’esposizione “L’Ospite Eccellente”. Le pale di soggetto religioso di più grandi dimensioni sono invece temporaneamente esposte presso il Museo Diocesano.
La riapertura della Pinacoteca Tosio Martinengo è prevista per il 2014, in ambienti completamente rinnovati e con un nuovo allestimento.

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