Il cardinale Federico affiancò alla biblioteca un’accademia di studi artistici, alla quale donò nel 1618 la sua raccolta personale di dipinti. Fu questo il primo nucleo della Pinacoteca Ambrosiana, che oggi, nella sua ventina di sale, vanta opere di Sandro Botticelli (Madonna del Padiglione), Bartolomeo Vivarini (Polittico), Ambrogio Bergognone (Madonna, angeli e santi), Bernardino Luini (Sacra Famiglia con S. Giovannino), Raffaello (cartone per la Scuola d’Atene), Caravaggio (Canestra di frutta), Moretto (S. Pietro martire), Tiziano (Adorazione dei Magi), Jacopo Bassano (Riposo nella fuga in Egitto, Annuncio ai pastori), Daniele Crespi (Madonna con Bambino e santi Carlo e Francesco), Giovanni Battista Cerano (S. Ambrogio) e Guido Reni (La Maddalena penitente). Molto importanti sono anche il fondo di scuola fiamminga e olandese, e un’interessante raccolta di artisti italiani fra ’800 e ’900: Bianchi, Gola, Previati, Induno, D’Azeglio. L’Aula Leonardi, una sala specificamente dedicata a Leonardo, espone il celebre quadro che rappresenta un Musico, e i principali dipinti di autori leonardeschi conservati all’Ambrosiana. Il cardinal Federico pensava che il Ritratto di dama fosse opera di Leonardo, ma oggi si pensa piuttosto ad Ambrogio De Predis.