Erst eine allgemeine Neubewertung des Mediums Fotografie seit den 1970er Jahren begründete die Bildung der Fotografischen Sammlung. Ihr Bestand umfasst etwa 30.000 Fotografien. Unter ihnen befinden sich Inkunabeln der Fotogeschichte: Daguerreotypien, Ambrotypien, Salzpapiernegative und –positive aus den 1840er und 1850er Jahren. Zwei Schwerpunkte bestimmen die Sammlung, Ansichten Düsseldorfs und Porträts. Entsprechend ihrer Zugehörigkeit zu einem Geschichtsmuseum beruht ihre Bedeutung in der Dokumentation der Architektur, des Stadtbildes und des kulturellen, politischen und alltäglichen Lebens in der Stadt. Auf lokaler Ebene wird die geschichtliche Entwicklung in Deutschland nachvollziehbar, die Großstadtwerdung in der Gründerzeit, die kulturelle Blüte während der Weimarer Republik und der Nationalsozialismus sind ebenso umfangreich dokumentiert wie die Kriegszerstörungen und der Wiederaufbau. Neben einer Vielzahl anonymer Werke enthält die Fotografische Sammlung Arbeiten unter anderem der Fotografenfamilie Söhn, Erwin Quedenfeldt, Ruth Lauterbach-Baehnisch, August Sander, Dirk Alvermann und Thomas Struth.