La collection de peintures du musée Déchelette est à l'origine constituée de dépôts de l'Etat, du legs Joseph Déchelette en 1914 et de l'important legs en 1917 de Camille Benoît, ancien conservateur adjoint au Louvre.

Contrairement à d'autres musées, la majeure partie de la collection est exposée. Il s'agit d'environ 1000 œuvres, qui couvrent la période de la fin du Moyen-Age au milieu du XXe siècle, époque du mouvement fauve.

Le parcours de peinture débute par la salle des Primitifs avec des œuvres sur bois des écoles aragonaise, flamande, française et tyrolienne des VXe et XVIe siècle : le magnifique Tryptique Sainte-Anne de l'Ecole Rhénane du XVe siècle  et l'Assomption de la Vierge, Ecole Flamande, fin du XVIe sont à noter. 

Les deux salles attenantes présentent une très belle collection des œuvres des XVIIè et XVIIIe siècles et notamment David et Abigail de Jérôme Franck, le grand Portrait d'Edouard VI de Guilhem Stretes ou encore la Nature Morte de Jan Van Os.

Les peintures du XIXe siècle occupent deux salles. L'une d'entre elles est consacrée au mouvement Barbizon et à la peinture paysagiste avec La Mare aux Chênes de Victor Dupré et le Vieux Moulin de Charles Sauvageot.

 L'autre aborde une plus grande variété de thèmes : peinture animalière, peinture sociale ou historique. On y trouve ainsi le Triomphe de Pisani d'Alexandre Hesse, La Soupe de Germain David Nillet ou encore le Portrait de Madame Raoul d'Adélaïde Salles Wagner. 

Pour le XXe siècle, c'est Jean Puy, bien évidemment, qui illustre le mouvement fauve. Il est exposé aux côtés de grands noms de l'art moderne comme Raoul Dufy (Nu dans l'atelier),  Albert Marquet ou encore Othon Friesz et sa vue d'Honfleur. Mais aussi d'artistes régionaux : Louis et Emile Noirot, Charles Beauverie et Armand Charnay.