Tidsmässigt sträcker sig konstsamlingen från 1860-talet till vår tid. Samlingens äldsta del med utländsk konst från 1800-talet består av verk från Teresia och Rafael Lönnströms respektive barndomshem. Till sitt gemensamma hem skaffade paret Lönnström senare huvudsakligen inhemsk målarkonst. Samlingens äldre del visas permanent som en del av hemmets inredning. I den ingår verk av till exempel Elin Danielson-Gambogi, Pekka Halonen och Hjalmar Munsterhjelm.
I samlingens senare del ingår inhemsk och internationell bildkonst från och med 1970-talet. Teresia Lönnström började bygga samlingen i skiftet mellan 1970- och 1980-talet då hon förvärvade verk framför allt av kvinnliga finska konstnärer och Raumokonstnärer.
Allt sedan 1987 har stiftelsen i överensstämmelse med andan i Teresia Lönnströms testamente byggt ut samlingen med inhemsk samtidskonst. Under 2000-talet har man förvärvat verk av bland andra Kaisu Koivisto, Jasmin Anoschkin, Ville Andersson och Jaakko Niemelä.
Lönnströms konstmuseums växande konstsamling omfattar idag omkring 350 verk.
