Во время реконструкции 1900–1905 годов музейные здания обрели новые фасады, выполненные по проекту В. М. Васнецова в «русском стиле». Главный фасад с изображением Георгия Победоносца стал символом Третьяковской галереи. Неудобства, связанные со строительством, не мешали все более растущему потоку посетителей: за один только 1903 год в Галерее побывало 130 548 человек.

В 1899 году наследники Павла Михайловича передали совету завещанные Галерее 62 иконы, которые были тщательно изучены известным византологом и специалистом по древнерусскому искусству Н. П. Лихачевым. На основе проведенной им атрибуции в 1904 году была создана экспозиция икон. В ее устройстве принимали участие профессор Н. П. Кондаков, художник В. М. Васнецов, члены совета Галереи И. Е. Цветков и И. С. Остроухов.

К 1911 году стало ясно, что экспозиции необходима коренная перестройка. Московская городская дума в 1913 году избрала попечителем Третьяковской галереи Игоря Эммануиловича Грабаря, художника, архитектора и историка искусства. В Совет вошли Р. И. Клейн и А. П. Ланговой, от семьи основателя – старшая дочь, Вера Павловна Зилоти, а из прежнего состава остался князь Сергей Александрович Щербатов, живописец и коллекционер.

В 1913–1915 годах Грабарь полностью изменил экспозицию. Объединив старое третьяковское и новое собрания, он разместил картины каждого художника в одном зале или на одной стене, расположив художественный материал в хронологическом порядке. Экспозиционный маршрут начинался с древнерусского искусства и в соответствии с хронологической последовательностью важнейших этапов развития русской живописи шел по кольцу залов вплоть до произведений художников 1900-х годов. Таким образом Грабарь впервые в отечественной практике использовал историко-монографический принцип, который и в настоящее время остается главным в построении музейных экспозиций художественных музеев России.

Основные итоги перестройки и комплектования музея получили отражение в первом научном описании собрания – каталоге Галереи, изданном в 1917 году. В нем не только фиксировался состав собрания, это был еще и путеводитель по новой экспозиции. Здесь впервые появились очерки о Павле и Сергее Третьяковых и истории Галереи. Каталог включал новый план расположения экспозиции и залов, давал четкую схему развития русского искусства. В это же время была создана постоянная реставрационная мастерская.

Во время Октябрьской революции и Гражданской войны многие владельцы художественных ценностей, считая Третьяковскую галерею единственным надежным местом, временно размещали там свои коллекции. Но вскоре, 3 июня 1918 года, Третьяковская галерея была объявлена «государственной собственностью Российской Федеративной Советской Республики». Так в галерее оказались частные собрания Е. В. Борисовой-Мусатовой, М. П. Рябушинского, В. О. Гиршмана и других. Национализированный музей получил название Государственная Третьяковская галерея. Первым ее директором стал И. Э. Грабарь.

В середине 1920-х годов в Галерее был организован методико-просветительский отдел, который занялся экскурсионным и лекционным делом, что с тех пор стало одним из важнейших направлений музейной работы. Отдел начал выпускать краткие путеводители, адресованные самой широкой аудитории. Среди первых его изданий был сборник «Изучение музейного зрителя» – возможно, единственный в то время.

В это же время к Третьяковской галерее присоединили коллекции несколько музеев, в том числе Цветковская галерея (в основном произведения графики), Музей иконописи и живописи имени И. С. Остроухова, собрания русской живописи из Румянцевского музея (где, в частности, находилась картина А. А. Иванова «Явление Христа народу»), Пролетарский музей Рогожско-Симоновского района, часть коллекции которого составляло собрание И. С. Исаджакова. В 1925 году собрание западно-европейской живописи С. М. Третьякова было передано в Музей изящных искусств, ныне Музей изобразительных искусств им. А. С. Пушкина. Такие шедевры живописи, как Владимирская икона Божьей Матери и «Троица» Андрея Рублева, поступили в Третьяковскую галерею из Успенского собора Московского Кремля. Продолжались и закупки, в основном приобретались произведения советских художников.

Постоянно увеличивавшиеся коллекции требовали расширения галереи. В 1929 году к музею присоединили дом Соколикова, расположенный рядом с галереей, а в 1935–1936 годах по проекту архитектора Щусева возвели новый корпус в правой части музейного комплекса.

Грандиозная реконструкция Третьяковской галереи в Лаврушинском переулке связана с именем директора Третьяковской галереи Юрия Константиновича Королева (1929–1992). За успешное выполнение этого задания в 1995 году Ю. К. Королев (посмертно) и авторский коллектив были удостоены Государственной премии Российской Федерации.

В январе 1986 года Третьяковская галерея в Лаврушинском переулке закрылась для посетителей. В специально оборудованный депозитарий (хранилище экспонатов), пристроенный в 1985 году с северной стороны исторического здания, перенесли произведения из экспозиции и ее запасника.

В том же 1985-м Государственная картинная галерея, располагавшаяся на Крымском валу, была объединена с Третьяковской галереей в единый музейный комплекс с сохранением исторического названия – Государственная Третьяковская галерея. В здание на Крымском валу для экспонирования и хранения перевезли произведения живописи, графики и скульптуры, созданные после 1917 года.

Новое музейное здание на Крымском валу собирались разместить еще в 1956 году, когда отмечалось столетие Галереи. Место было выбрано напротив Центрального парка культуры и отдыха имени А. М. Горького на берегу Москвы-реки недалеко от Кремля и исторического дома в Голутвине, где в 1832 году родился П. М. Третьяков. Закончить стройку планировали в 1961-м и полностью перевести сюда все коллекции Галереи.

Но в 1959 году решением правительства проектируемое здание было закреплено за вновь созданной Государственной картинной галереей СССР. В 1962 году последовало объединение Картинной галереи СССР и Выставочных залов Союза художников (ныне Центральный Дом художника). Новый проект, выполненный в мастерской имени И. В. Жолтовского (архитекторы Ю. Шевердяев, Н. Сукоян, М. Круглов и другие), был утвержден в 1962-м, а строительство начато в 1965 году.

Гигантские выставочные площади (более 12 тысяч квадратных метров), анфилады просторных залов, предусматривающие разнообразные трансформации площадей и объемов для развески, единое пространство вестибюля, лестничных маршей и антресолей, огромные окна, открывающие эффектные панорамы на Кремль, Москву-реку и парк, – все это таило интересные экспозиционные возможности.

Закрытие основного здания галереи в Лаврушинском переулке «переадресовало» посетителей в помещение на Крымском валу. Перед зрителями открывалась основная экспозиция – широкая картина творческого наследия отечественных мастеров, работавших в 1920—1960-е годы.

В 1987 году была показана выставка произведений Д. Г. Левицкого, организованная Государственной Третьяковской галереей и Русским музеем при поддержке других музеев СССР. А потом пошла череда выставок художников русского авангарда: 1989 год – В. В. Кандинского, К. С. Малевича, 1990 год – Л. С. Поповой, А. С. Голубкиной, П. Н. Филонова, Эль Лисицкого, 1991 год – «Шагал в России», «Русский модерн», 1992-й – «С. И. Мамонтов и русская художественная культура», А. И. Куинжди, В. В. Верещагин. В 1994 году состоялись выставки работ В. Е. Татлина, И. Е. Репина и В. Д. Поленова.

Огромные толпы посетителей собрала «Выставка произведений из собрания Арманда Хаммера» (1986); администрации Галереи даже пришлось пойти на организацию двухчасовых сеансов для ее просмотра.

Строительные работы в Лаврушинском были начаты еще в 1983 году. Через два года введен в строй депозитарий. Там же расположились и реставрационные мастерские Государственной Третьяковской галереи.

А в 1986 году настало время приступить к реконструкции основного здания Третьяковской галереи. Авторы проекта (архитекторы И. М. Виноградский, Г. В. Астафьев, Б. А. Климов и другие) своей главной задачей считали сохранить облик исторического ансамбля. Центр комплекса – основной дом и «щусевский корпус» – были расширены за счет застройки двух внутренних дворов. Здесь разместилась основная экспозиция.