Fue Manuel Abeledo, el expresidente de la Diputación pontevedresa -que ha gestionado el museo desde su origen en 1927, primero desde un patronato, y que ahora lo ha convertido, no sin polémica, en un servicio dependiente de la misma-, quien a finales de los noventa, en una visita a los almacenes de la entidad, quedó impresionado por los fondos que no se exhibían al público. Entendió entonces que era necesaria la ampliación del la entidad. Tras el compromiso de los fondos por el Ministerio de Cultura, la Xunta y la Diputación, la convocatoria del concurso para el nuevo edificio se hizo pública en el 2001 y en el 2004 se iniciaron las obras que, junto a la museografía y la reforma del Sarmiento, elevaron su coste a casi 25 millones. La sala de exposiciones temporales funciona desde el 2008, al igual que el auditorio (con 241 plazas).
Las 23 nuevas salas se disponen de forma que el visitante pueda ver y comparar lo que en un mismo momento se hacía en Galicia y en otros territorios españoles. En el primer caso, el viaje arranca con un repaso al gótico y finaliza con el arte de la generación doliente, con autores como Jenaro Carrero o Parada Justel. La segunda, alberga fondos desde finales del siglo XIX al primer tercio del XX (con Castelao y Quiroga como protagonistas y con la restauración de mobiliario del pazo de Lourizán como uno de sus atractivos) y la última arranca con los renovadores y llega a la actualidad, con autores posteriores a Atlántica. Hay obra de Colmeiro, Laxeiro, Souto, Manuel Torres, Manolo Moldes, Darío Basso o Din Matamoro, entre otros. Esta tercera planta alberga también lo más selecto de la colección de pintura española de José Fernández López.