В основе Фонда — материалы архивного отдела музея. Официально отдел создан в 2000 году для хранения, комплектования, учета и использования архивных документов. Однако материалы начали собирать с первого дня работы музея еще в 1944 году. Задачи архива: формирование новых или пополнение уже существующих личных фондов искусствоведов, и художников, которые связаны с музеем. Основную работу по упорядочиванию документов начали в конце 2008 года. Сегодня в архиве более 1000 дел. В основном, это документы о работе музея за прошедшие годы: отчеты о деятельности, личные дела тагильских художников, переписка с различными институциями, документы по исследованию произведений из коллекции музея, большое собрание афиш выставок с начала работы музея.
Значимый раздел архива — личные творческие документы художников. Среди них — документы погибшего в блокадном Ленинграде Павла Константиновича Голубятникова — ученика Кузьмы Петрова-Водкина, а также Михаила Шемякина, Михаила Крамского. В августе 2015 года в коллекцию поступил личный архив художницы и архитектора Раисы Голышко, ученицы Элия Белютина. В архиве хранятся переданные родственниками документы тагильских художников Евгения Бортникова, Петра Бортнова, Вилена Мухаркина, Виктора Могилевича. Постоянно ведется работа по пополнению папок с информацией о тагильских художниках и сотрудниках музея разных лет.
Музейный архив ограниченно публичный, доступ открыт исследователям, студентам вузов, которые занимаются музееведением, историей, краеведением, культурологией, искусствоведением.