Die Altmeistersammlung umfasst eine kleine Anzahl qualitativ hochstehender Werke, die vom Mittelalter bis zum Rokoko reichen. Es ist besonders in der Altmeistersammlung, in der sich die historische Bedeutung von Solothurn als Ambassadoren-Stadt reflektiert. Von 1530 bis zur Französischen Revolution war Solothurn die Niederlassung der französischen Botschafter. Durch das mit der französischen Krone betriebene Söldnerwesen kamen viele Bürger zu Reichtum und Titel. Die Bilder aus der Altmeister-Sammlung zeugen vom damit verbundenen Wohlstand und den internationalen Verbindungen.

Zu den beiden Höhepunkten in der Altmeistersammlung gehören die Madonna in den Erdbeeren (um 1425) des Meisters des Paradiesgärtleins sowie die Solothurner Madonna (1522) von Hans Holbein d. J.

Bei der Madonna in den Erdbeeren verschmelzen mittelalterliche und neuzeitliche Bildvorstellungen: So sind die kleine Stifterfigur im rechten Bildvordergrund, der Goldgrund oder die mit Edelsteinen besetzte Krone dem Mittelalter verpflichtet, während die präzise Schilderung von Fauna und Flora den Weltbezug der Neuzeit widerspiegelt.

Die fast hundert Jahre jüngere Solothurner Madonna von Hans Holbein d. J. gehört zu den Hauptwerken seiner Basler Zeit. Dargestellt ist die Madonna mit Kind, die zu ihrer Rechten vom Solothurner Stadtheiligen Ursus und zur Linken vom heiligen Martin flankiert werden. Die illusionistische Darstellung sowie die das Bild beherrschende Symmetrie und Ordnung sind typische Merkmale der Renaissance. Auch die wechselhafte Geschichte der lang verschollenen Tafel fasziniert noch heute. Nicht zuletzt war es die Solothurner Madonna, deren Wiederauffindung im 19. Jahrhundert den Bau eines städtischen Museums motiviert hat.