La prima sistemazione di Palazzo Bianco risale al 1889 e fu curata dal pittore Giuseppe Isola (1808-1893), già consigliere artistico dei duchi di Galliera.
Il 1892 fu l’anno del legato del senatore Giovanni Ricci e della Mostra d’Arte Antica allestita in occasione delle celebrazioni colombiane. Il Museo fu riaperto al pubblico nel 1893 con un allestimento di sculture e quadri antichi e moderni, materiali archeologici, lapidi e mobili, senza un criterio ordinatore preciso, secondo il gusto dell’epoca. In quegli anni, inoltre (e la situazione si protrasse fino al 1914), permanevano all’interno dell’edificio ambienti occupati da affittuari privati.
Grazie soprattutto all’opera di Gaetano Poggi, primo Assessore alle Belle Arti, tra il 1906 e il 1915 le raccolte vennero esposte secondo criteri storici e tematici, creando all’interno del Palazzo diversi musei di settore ("Museo di Storia e Arte", "del Risorgimento", "della Guerra").
Negli anni Venti, grazie all’opera di Orlando Grosso (1882-1968), direttore dell’Ufficio Belle Arti e delle Gallerie, si creò un vero e proprio "sistema" dei musei civici con istituti tematicamente specializzati e decentrati sul territorio. Palazzo Bianco, fra 1928 e 1932, venne riordinato cronologicamente e per scuola, secondo gli orientamenti della museologia coeva. Erano comprese nell’ordinamento anche le nuove, ricche, accessioni: dalla quadreria di Casa Piola, legata da Carlotta Ageno De Simoni nel 1913, a quella di Enrico L. Peirano, pervenuta nel 1926.I dipinti furono esposti al piano nobile (con mobili e arazzi), per epoche e scuole, in modo pausato, raramente sovrapposti e allineati tendenzialmente in basso. Le opere dei primitivi furono riunite al pianterreno accanto a sculture e ceramiche.
In gran parte distrutto nel 1942 a causa dei bombardamenti, il palazzo fu ricostruito nella sua facies settecentesca ed ebbe, alla sua riapertura nel 1950, un ordinamento nuovo voluto da Caterina Marcenaro (1906-1976), neo direttore dell’Ufficio Belle Arti, e un allestimento studiato da Franco Albini (1905-1977), architetto di formazione razionalista. Il risultato, fondato su una selezione rigorosa delle opere esposte e su scelte museografiche inedite, fu di alto profilo, sconvolse le attese più tradizionaliste e pose il rinnovato Museo all’attenzione del mondo della cultura a livello nazionale e internazionale.
L’allestimento era caratterizzato da un estremo rigore formale, che traspariva dal colore grigio chiaro di pareti e volte, dalla pavimentazione uniforme, dall’uso sapiente dell’illuminazione e, infine, dai supporti delle opere realizzati con materiali poveri, industriali, verniciati in nero. Inoltre, si differenziava per le pannellature in ardesia a spacco di alcune sale, per la rivoluzionaria organizzazione dei depositi e per l’assoluta mobilità nella disposizione delle opere.
Negli anni Settanta, le sculture e gli affreschi inseriti nel percorso museale, vennero trasferiti nel costituendo Museo di Sant’Agostino e Palazzo Bianco assunse l’attuale aspetto di pinacoteca.
In occasione dell’appuntamento di Genova Capitale Europea della Cultura nel 2004, Palazzo Bianco diviene, insieme a Palazzo Rosso e a Palazzo Tursi, parte di un unico complesso museale consacrato all’arte antica: l’unione dei tre palazzi in un continuo percorso espositivo, nel quale ogni museo mantiene le proprie specifiche caratteristiche storiche e di collezione, ha così trasformato la cinquecentesca Strada Nuova in una vera e propria “strada-museo”, capolavoro della cultura architettonica e abitativa genovese e sede di un'istituzione culturale unica per dimensioni, caratteristiche, qualità e prestigio, i Musei di Strada Nuova.
Nel 2008 in Palazzo Bianco è stato completato un nuovo ordinamento delle opere, rinnovato per consentire un percorso più razionale all’interno del Museo: è così cronologicamente documentata l’evoluzione della cultura figurativa a Genova tra Cinquecento e Settecento, non solo presentando i più conosciuti maestri della scuola locale, ma anche gli artisti italiani e forestieri che hanno lavorato per committenti genovesi o i cui dipinti hanno fatto parte delle note collezioni delle grandi famiglie cittadine.
Palazzo Bianco si segnala, inoltre, per l’importante nucleo di pittura fiamminga e per una sala monografica dedicata alla pittura spagnola del Seicento. Il percorso espositivo della pinacoteca continua in alcune sale di Palazzo Doria Tursi e qui si conclude con un suggestivo spazio dedicato alla Maddalena penitente del Canova (1790), una delle più significative opere dell’artista, acquistata a Parigi dai duchi di Galliera.