In der Graphischen Sammlung der Stiftung Museum Kunstpalast werden etwa 80.000 Blätter verwahrt. Ungefähr die Hälfte davon trug der Düsseldorfer Maler Lambert Krahe im 18. Jahrhundert in Italien als Studiensammlung zusammen. Krahe sammelte als Künstler und erwarb häufig große Werkkomplexe direkt aus den Ateliers seiner Zeitgenossen. Unter den etwa 14.000 Zeichnungen, die er ankaufte, befinden sich annähernd 300 Blatt des römischen Künstlers Carlo Maratta, besonders erwähnenswert darunter ein Kompositionsentwurf für das Altarbild in der Cappella Cybo in Santa Maria del Popolo in Rom. Weitere Einzelstudien zu diesem Auftrag besitzt die Academia de San Fernando in Madrid. Tatsächlich lässt sich immer wieder feststellen, dass die Düsseldorfer Sammlung durch die Bestände bedeutender Kabinette sinnvoll ergänzt werden kann, etwa durch einzelne Arbeiten oder Zeichnungskonvolute in der königlichen Sammlung auf Windsor Castle, im Kabinett zu Madrid oder durch den Bestand des Louvre in Paris. Von Giacinto Calandrucci, einem Schüler Marattas, stellte Krahe eine umfangreiche Auswahl von weit über 900 Zeichnungen zusammen. Nach Deutschland zurückgekehrt, verkaufte er 1778 seine Schätze, setzte allerdings durch, dass sie der Düsseldorfer Akademie, deren erster Direktor er wurde, als Lehr– und Vorbildsammlung zur Verfügung stand. Bereits 1780 hatte Krahe ein Stichwerk über seine Zeichnungen und Graphiken herausgegeben. Dieses machte sie schon damals über die Grenzen Düsseldorfs hinaus bekannt. Krahes abgeschlossene Sammlung mit ihren etwa 14.000 Zeichnungen und doppelt so vielen Druckgraphiken wird heute als Dauerleihgabe der Kunstakademie in der Graphischen Sammlung aufbewahrt und erforscht.

Als 1819 in Düsseldorf die Königlich-Preußische Kunstakademie gegründet wurde, übernahm sie die Krahe’sche Sammlung und erweiterte sie um aktuelle Positionen. Die damals Lehrenden, zu denen u.a. Peter von Cornelius, Wilhelm von Schadow, später Eduard Bendemann, Johann Wilhelm Schirmer oder Caspar Johann Nepomuk Scheuren gehörten, wurden aufgefordert, mindestens ein Blatt pro Jahr der Akademie zu überlassen. Vereinzelt gelangten auch größere Konvolute bzw. zeichnerische Nachlässe regionaler Künstler wie beispielsweise von Theodor Mintrop oder Johann Anton Ramboux in die Akademiesammlung und befinden sich heute in der Stiftung Museum Kunstpalast.

Die Graphische Sammlung als Abteilung geht auf die Gründung der Städtischen Kunstsammlungen im Jahr 1913 zurück. Der Schwerpunkt der nun einsetzenden Ankaufstätigkeit für das Museum lag zunächst auf Handzeichnungen des 19. Jahrhunderts, von denen heute etwa 6000 Blatt im Bestand sind. Zwei Drittel davon stammen von Künstlern, die der Düsseldorfer Malerschule zuzurechnen sind, doch enthält die Sammlung heute Werkgruppen aller wichtigen deutschen Zeichner des 19. Jahrhunderts wie Caspar David Friedrich, Carl Gustav Carus, Friedrich Nerly, Ludwig Richter, Anselm Feuerbach, Adolph von Menzel oder Wilhelm Leibl.

Seit den 1980er-Jahren rundet eine erlesene Sammlung an japanischen Farbholzschnitten die Bestände des 19. Jahrhunderts ab.

Den größten Werkblock moderner Kunst bilden in etwa 3000 Zeichnungen aus dem Nachlass Walter Opheys. Er gehörte der Künstlergruppierung Junges Rheinland an und entwickelte eine besondere Art der Farbkreidezeichnung. Verschiedene Schenkungen ermöglichten den Aufbau einer expressionistischen Sammlung, bedeutend sowohl in ihrer Qualität als auch in ihrem Umfang. Ähnlich großzügig zeigten sich die Söhne Conrad Felixmüllers, die über 560 Holzschnitte, Radierungen und Lithographien – nahezu das gesamte druckgraphische Werk ihres Vaters – dem Museum 1986 schenkten. Eva Pankok überließ bereits 1983 die aus großformatigen Kohlezeichnungen bestehende Folge Die Passion von Otto Pankok als Dauerleihgabe. Einen weiteren Höhepunkt bildet - neben einigen Zeichnungen – auch der umfangreiche Radierzyklus Der Krieg von Otto Dix.

Nach dem Zweiten Weltkrieg sind einzelne Positionen wie die von Joseph Beuys, Karl Otto Götz, Gerhard Hoehme, Gotthard Graubner oder Gerhard Richter eng mit Düsseldorf verbunden und mit größeren Werkgruppen in der Graphischen Sammlung vertreten. Die komplette Druckgraphik von Antonio Calderara und Camille Graeser verleiht der Konkreten Kunst innerhalb der Sammlung Gewicht, während die 2008 erfolgte, großzügige Schenkung von Wolfgang Hanck den Bereich der Gegenwartskunst mit markanten Beispielen, darunter kleineren Zeichnungsgruppen von Georg Baselitz, Miriam Cahn, Marlene Dumas und Rosemarie Trockel ergänzt.

Noch verhältnismäßig jung ist das Bekenntnis des Hauses zur Fotografie. Die seit Mitte der 1990er- Jahre im Aufbau befindliche Sammlung setzt zwar auch auf internationale Fotografen, hat aber ihren Schwerpunkt bei der Fotografie in Düsseldorf. 57 bedeutende Arbeiten von Bernd und Hilla Becher, die die Künstler dem Museum schenkten, bilden das Zentrum, um das mittlerweile Werkgruppen von Boris Becker, Andreas Gursky, Candida Höfer, Thomas Ruff, Jörg Sasse, Ursula Schulz-Dornburg und Thomas Struth kreisen.