In Palazzo Buonsignori, un vasto edificio tardo-gotico elevato nella prima metà del 1400, ha sede la Pinacoteca Nazionale che costituisce la più grande raccolta di pittura senese tra il medioevo e l'età Barocca.

Davvero splendido è il nucleo di dipinti lavorato tra il ‘200 e gli inizi del ‘500 e che conta rilevanti opere di Duccio di Boninsegna, Simone Martini, Pietro e Ambrogio Lorenzetti, nonché dei campioni di quella straordinaria stagione che fu il Quattrocento senese che, pur affascinato dalla visione prospettico-geometrica, che dopo il 1420 si andava affermando nella vicina Firenze col Rinascimento, mantenne saldi legami formali col favoloso mondo del tardo-gotico.
Tra questi pittori che creano vere e proprie opere poetiche in pittura spiccano Stefano di Giovanni, detto il Sassetta, Sano di Pietro, il cosiddetto Maestro dell'Osservanza, Lorenzo di Pietro, detto il Vecchietta e, più aperti alle novità rinascimentali fiorentine, Domenico di Bartolo, Matteo di Giovanni e Francesco di Giorgio Martini, che fu pure scultore e soprattutto un ottimo architetto di stile pienamente rinascimentale.
Tra i pittori cinquecenteschi, oltre al senese Domenico Beccafumi, si evidenzia Giovanni Antonio Bazzi, detto il Sodoma, che dalla nativa Vercelli si fermò a Siena e qui operò attivamente e incisivamente.