Nieustanne powiększanie zbiorów muzeum spowodowało konieczność rozbudowania jego gmachu, co zostało wykonane w latach 1964–1972 na podstawie projektu Karola Golawskiego i Stefana Kozińskiego. W latach 1995–2007 muzeum poddane zostało gruntownym remontom i modernizacji, przeprowadzono reformę organizacyjną. W okresie, kiedy dyrektorem ds. naukowych była Dorota Folga-Januszewska a dyrektorem generalnym – Ferdynand B. Ruszczyc w muzeum zorganizowano kilkadziesiąt wielkich międzynarodowych wystaw, zaś muzeum pokazało swoje zbiory w postaci gościnnych wystaw w Musée d’Orsay i w Luwrze w Paryżu, w Kunsthistorisches Museum w Wiedniu, w Muzeum Sztuk Pięknych Puszkina w Moskwie.
W 1995 roku muzea w Łowiczu i Krośniewicach, Muzeum Pałac w Wilanowie (obecnie Muzeum Pałacu Króla Jana III w Wilanowie) oraz Łazienki Królewskie w Warszawie, wcześniej oddziały Muzeum Narodowego, odłączyły się od niego i zaczęły funkcjonować jako samodzielne jednostki. W roku tym i w następnym przekształceniom uległa znów struktura organizacyjna działów merytorycznych muzeum (17 działów) i zatwierdzona w marcu 1996 roku funkcjonuje tak do dziś.