Ihre internationale Bedeutung verdankt die Solothurner Sammlung der Dübi-Müller-Stiftung und der Josef Müller-Stiftung. Die beiden aus einer Solothurner Fabrikantenfamilie stammenden Geschwister Gertrud Dübi-Müller (1888–1980) und Josef Müller (1887–1977) schenkten dem Museum Meisterwerke aus ihren berühmten Privatsammlungen.
Gertrud Dübi-Müller hat sich sehr früh mit der bildenden Kunst auseinandergesetzt und begann bereits als junge Frau Kunst zu sammeln. Wie ihr Bruder Josef Müller erhielt Gertrud Dübi-Müller Malunterricht von Cuno Amiet, dem sie zeitlebens freundschaftlich verbunden blieb. Von ihm erwarb sie viele Frühwerke, darunter das Meisterwerk Der gelbe Hügel (1903).
Bereits bei der Eröffnung des Museums 1902 kam es zur Begegnung zwischen den Müller-Geschwistern und Ferdinand Hodler. Daraus entstand eine besonders tiefe Freundschaft zwischen Gertrud Dübi-Müller und Ferdinand Hodler. Die Vertrautheit zwischen ihnen zeigt sich in den vielen Bildnissen, die Hodler von Gertrud Dübi-Müller malte.
Neben den umfangreichen Werkgruppen von Amiet und Hodler finden sich in beiden Sammlungen auch Werkgruppen von Hans Berger, Félix Vallotton, Ernst Morgenthaler, Giovanni Giacometti und Albert Trachsel.
Die Schweizer Kunst der Moderne wurden von Josef Müller und Gertrud Dübi-Müller durch Ankäufe von Werken internationaler Künstler*innen wie Cézanne, Matisse, Braque, Picasso und Gris ergänzt.