A colecção de obras de arte da Fundação D. Luís I constitui o mais relevante bem patrimonial da instituição. A sua crescente valia decorre principalmente das doações de artistas. Também a boa vontade dos mecenas (como por exemplo a introdução, no Regulamento de um Prémio, de clausulado através do qual a obra premiada reverte obrigatoriamente a favor da entidade promotora) se tem revestido de grande importância. Neste último caso o exemplo frisante é o do Prémio de Escultura City Desk, entretanto extinto: alguns dos trabalhos premiados, hoje propriedade da Fundação, são frequentemente solicitados para exposições em Portugal e no estrangeiro.

Entre os muitos artistas representados na colecção, dividida em Figuração e Abstracção, contam-se Canogar, Feito, Marsic, Bartolomeu dos Santos, Parente, Graça Morais, José Rodrigues, Emerenciano, Justino Alves, João Jacinto, Vítor Pomar, Teixeira Lopes, Manuel Caeiro, Jack Radcliff, John Aiken, David Almeida, Manuel Amado, Sofia Areal, Júlio, Pedro Valdez Cardos, João Pedro Vale ou Man.