Основные итоги перестройки и комплектования музея получили отражение в первом научном описании собрания – каталоге Галереи, изданном в 1917 году. В нем не только фиксировался состав собрания, это был еще и путеводитель по новой экспозиции. Здесь впервые появились очерки о Павле и Сергее Третьяковых и истории Галереи. Каталог включал новый план расположения экспозиции и залов, давал четкую схему развития русского искусства. В это же время была создана постоянная реставрационная мастерская.
Во время Октябрьской революции и Гражданской войны многие владельцы художественных ценностей, считая Третьяковскую галерею единственным надежным местом, временно размещали там свои коллекции. Но вскоре, 3 июня 1918 года, Третьяковская галерея была объявлена «государственной собственностью Российской Федеративной Советской Республики». Так в галерее оказались частные собрания Е. В. Борисовой-Мусатовой, М. П. Рябушинского, В. О. Гиршмана и других. Национализированный музей получил название Государственная Третьяковская галерея. Первым ее директором стал И. Э. Грабарь.
В середине 1920-х годов в Галерее был организован методико-просветительский отдел, который занялся экскурсионным и лекционным делом, что с тех пор стало одним из важнейших направлений музейной работы. Отдел начал выпускать краткие путеводители, адресованные самой широкой аудитории. Среди первых его изданий был сборник «Изучение музейного зрителя» – возможно, единственный в то время.
В это же время к Третьяковской галерее присоединили коллекции несколько музеев, в том числе Цветковская галерея (в основном произведения графики), Музей иконописи и живописи имени И. С. Остроухова, собрания русской живописи из Румянцевского музея (где, в частности, находилась картина А. А. Иванова «Явление Христа народу»), Пролетарский музей Рогожско-Симоновского района, часть коллекции которого составляло собрание И. С. Исаджакова. В 1925 году собрание западно-европейской живописи С. М. Третьякова было передано в Музей изящных искусств, ныне Музей изобразительных искусств им. А. С. Пушкина. Такие шедевры живописи, как Владимирская икона Божьей Матери и «Троица» Андрея Рублева, поступили в Третьяковскую галерею из Успенского собора Московского Кремля. Продолжались и закупки, в основном приобретались произведения советских художников.
Постоянно увеличивавшиеся коллекции требовали расширения галереи. В 1929 году к музею присоединили дом Соколикова, расположенный рядом с галереей, а в 1935–1936 годах по проекту архитектора Щусева возвели новый корпус в правой части музейного комплекса.
Грандиозная реконструкция Третьяковской галереи в Лаврушинском переулке связана с именем директора Третьяковской галереи Юрия Константиновича Королева (1929–1992). За успешное выполнение этого задания в 1995 году Ю. К. Королев (посмертно) и авторский коллектив были удостоены Государственной премии Российской Федерации.
В январе 1986 года Третьяковская галерея в Лаврушинском переулке закрылась для посетителей. В специально оборудованный депозитарий (хранилище экспонатов), пристроенный в 1985 году с северной стороны исторического здания, перенесли произведения из экспозиции и ее запасника.
В том же 1985-м Государственная картинная галерея, располагавшаяся на Крымском валу, была объединена с Третьяковской галереей в единый музейный комплекс с сохранением исторического названия – Государственная Третьяковская галерея. В здание на Крымском валу для экспонирования и хранения перевезли произведения живописи, графики и скульптуры, созданные после 1917 года.
Новое музейное здание на Крымском валу собирались разместить еще в 1956 году, когда отмечалось столетие Галереи. Место было выбрано напротив Центрального парка культуры и отдыха имени А. М. Горького на берегу Москвы-реки недалеко от Кремля и исторического дома в Голутвине, где в 1832 году родился П. М. Третьяков. Закончить стройку планировали в 1961-м и полностью перевести сюда все коллекции Галереи.
Но в 1959 году решением правительства проектируемое здание было закреплено за вновь созданной Государственной картинной галереей СССР. В 1962 году последовало объединение Картинной галереи СССР и Выставочных залов Союза художников (ныне Центральный Дом художника). Новый проект, выполненный в мастерской имени И. В. Жолтовского (архитекторы Ю. Шевердяев, Н. Сукоян, М. Круглов и другие), был утвержден в 1962-м, а строительство начато в 1965 году.
Гигантские выставочные площади (более 12 тысяч квадратных метров), анфилады просторных залов, предусматривающие разнообразные трансформации площадей и объемов для развески, единое пространство вестибюля, лестничных маршей и антресолей, огромные окна, открывающие эффектные панорамы на Кремль, Москву-реку и парк, – все это таило интересные экспозиционные возможности.