Les expositions itinérantes qu’organise le Schweizer Kunstverein (Association suisse d’art) à partir de 1840 donnent le coup d’envoi en 1847 à l’extension du site, qui s’agrandit d’une petite aile de galerie conçue par l’architecte Gustav Albert Wegmann. Ce nouveau «musée» reste longtemps dominé par la collection offerte en 1854 par le colonel Keller zum Mohrenkopf, sélection représentative de la peinture zurichoise de Hans Asper au 18e siècle.
Le fonds étant encore très modeste, Wilhelm Wartmann (de 1909 à 1949), premier conservateur et futur directeur, se concentre tout d’abord sur l’art suisse: outre la production artistique locale, particulièrement intéressante à l’époque, il rassemble des peintures du gothique tardif et des tableaux de Johann Heinrich Füssli.
En 1917, à l’occasion de la grande exposition Ferdinand Hodler, il s’avère que la Kunstgesellschaft dispose de fonds d’acquisition insuffisants. Alfred Rütschi fonde alors la «Vereinigung Zürcher Kunstfreunde», l’Association des amis du Kunsthaus, qui aujourd’hui encore enrichit régulièrement la collection en acquérant des œuvres majeures. Alfred Rütschi met lui-même à la disposition du Kunsthaus plusieurs grandes compositions et d’importants paysages de Hodler provenant de sa propre collection.
En 1920, le Kunsthaus reçoit en legs la collection de Hans Schuler et, avec elle, pour la première fois, des œuvres d’impressionnistes et de postimpressionnistes français: Renoir, Cézanne, Van Gogh, Bonnard. En 1922, après de longues années de préparation, Wartmann organise sa première exposition Edvard Munch et commence à constituer la plus grande collection d’œuvres de l’artiste norvégien en dehors de Scandinavie.
En 1925, l’architecte Karl Moser agrandit le Kunsthaus. En 1929, Hans E. Mayenfisch commence à acheter pour le Kunsthaus des tableaux d’artistes suisses vivants. À sa mort en 1957, la collection comptera plus de 450 œuvres. En 1949, Leopold Ruzicka, lauréat du prix Nobel de chimie, créé une fondation avec sa collection exceptionnelle de peintures néerlandaises du 17e siècle. En 1950, René Wehrli remplace Wilhelm Wartmann à la direction du Kunsthaus. Il axe la collection sur la peinture française depuis Monet. Après la rétrospective consacrée à Monet, le Kunsthaus acquiert deux grands panneaux de la série des Nymphéas.
Rénovation des bâtiments et des structures
De 1998 à 2000, la Villa Tobler, au n° 4 de la Winkelwiese, fait l’objet de travaux de rénovation et de conservation pour devenir le nouveau siège de la direction et un lieu de réception. En septembre, Christoph Becker succède à Felix Baumann au poste de directeur et les électeurs de la ville de Zurich votent un crédit de 28,5 millions de francs suisses pour la rénovation du Kunsthaus. En 2001, le Kunstrat (conseil des arts) adopte une nouvelle stratégie artistique: des groupes de travail internes et une commission publique d’experts se penchent sur l’avenir du Kunsthaus et appuient la réforme des structures internes. Pendant ce temps-là, la rénovation commence.