Projetada pelo Escritório Ramos de Azevedo e pelo arquiteto Domiziano Rossi, a construção, em estilo neorrenascentista, foi concebida para abrigar o Liceu de Artes e Ofícios. Em 1905, foi inaugurado o museu, inicialmente com uma pequena galeria de pinturas.
A Pinacoteca é composta pelos edifícios Pina Luz, Pina Estação e Pinacoteca Contemporânea. Sua sede, localizada no edifício Pina Luz, é uma construção em estilo neorrenascentista que passou por diversas reformas ao longo do tempo. A principal delas ocorreu entre 1993 e 1998, a partir de um projeto do arquiteto Paulo Mendes da Rocha, com o objetivo de adequá-la às atividades museológicas.
A sede histórica do mais antigo museu de arte de São Paulo foi tombada em 1982 pelo CONDEPHAAT como monumento de interesse histórico e arquitetônico.

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