Le collezioni dell'Accademia di San Luca sono di natura non omogenea per tipologia e provenienza delle opere che le compongono. Si tratta di pezzi di notevole interesse storico ed artistico, databili fra il XV ed il XX secolo. Il gruppo più numeroso, però, risale principalmente al XVII e XVIII secolo. Le raccolte accademiche sono costituite da più di mille dipinti e da trecento sculture, da circa cinquemilacinquecento disegni e da una collezione di stampe e di medaglie. Il numero di opere conservate oggi in Palazzo Carpegna non comprende, però, la totalità dei pezzi che nel corso dei secoli sono venuti a far parte del patrimonio accademico il quale, negli anni, è stato in parte perduto o comunque disperso.
Il carattere eterogeneo delle collezioni dell'Accademia è dovuto principalmente al fatto che esse si sono costituite attraverso il tempo non secondo un disegno preordinato, ma con doni o lasciti di accademici o di collezionisti privati, con opere provenienti dai concorsi banditi dall'Accademia od utilizzate a fini didattici e con un gruppo di quadri provenienti dalla Pinacoteca Capitolina.
A partire dai più antichi statuti del Sodalizio, infatti, si prescriveva che ogni accademico al momento della nomina lasciasse in dono nelle raccolte accademiche un saggio della propria arte ("pièce de réception", dono d'ingresso). Era poi richiesto ad ogni accademico di mandare in dono un proprio ritratto. Si creò, quindi, in tal modo, fin dal Seicento, una galleria che prese forma più concreta nel corso del Settecento.
Tra le opere più importanti conservate nelle collezioni accademiche si può ricordare, ad esempio, un affresco staccato rappresentante un Putto, attribuito a Raffaello, al quale è anche tradizionalmente assegnata la tela del San Luca che dipinge la Madonna; l'Annuncio ai pastori di Jacopo Bassano; la Vergine ed angeli di Van Dyck; le Ninfe che coronano l'Abbondanza di Rubens; la Giuditta e Oloferne di Piazzetta; l'autoritratto di Federico Zuccari; il ritratto di Pietro Bernini attribuito al figlio Gian Lorenzo; le sculture di Algardi, Bracci, Le Gros.
Le collezioni dell'Accademia di San Luca sono esposte, in parte, nella Galleria, al terzo ed ultimo piano della sua attuale sede a palazzo Carpegna e, in parte, nelle Sale accademiche, negli uffici di Segreteria, nella Sala conferenze, situate al piano nobile, nella Biblioteca Sarti e nell'Archivio Storico che si trovano al secondo piano. Il resto delle opere è collocato nei depositi situati in alcuni spazi al piano terreno e negli ambienti lungo la rampa elicoidale.