Der von Baumeister Johann Gottfried Büring zwischen 1755 und 1763/64 errichtete Prachtbau ist der älteste erhaltene Galeriebau Deutschlands. Die Bildergalerie befindet sich östlich von Schloss Sanssouci und bildet das Pendant zu den Neuen Kammern westlich des Schlosses. Friedrich der Große nutzte die Bildergalerie für die Präsentation seiner Gemäldesammlung, die 180 Spitzenwerke der flämischen und niederländischen Barockmalerei sowie der italienischen Renaissance und des Barock umfasste. Auch antike Skulpturen wurden ausgestellt, ebenso wie französische Skulpturen des 18. Jahrhunderts.

Während des Zweiten Weltkriegs im Jahr 1942, wurden alle Kunstwerke in das Schloss Rheinsberg gebracht, von wo 1946 nur zehn wieder in die Gemäldegalerie gebracht wurden. Viele Gemälde gingen verloren oder wurden von der Sowjetunion beschlagnahmt. Erst 1958 kehrte eine große Anzahl der Gemälde nach Deutschland zurück. Einige befinden sich bis heute in russischen Sammlungen.

Das Äußere der Bildergalerie ist schlicht gehalten, aber das Innere überrascht mit seiner prachtvollen Gestaltung: vergoldete Ornamente an Wänden und Decken sowie kostbare Böden aus gelbem und weißem Marmor, der aus Herculaneum stammt.

Noch heute sind 140 hochkarätige Gemälde aus dem 16. bis 18. Jahrhundert zu sehen. Unter anderem das Werk von Caravaggio mit dem Titel „Ungläubiger Thomas“, fünf Werke von Anton van Dycks, sieben Werke von Peter Paul Rubens, darunter „Heiliger Hieronymus“ und verschiedene andere bekannte Künstler.