Основные итоги перестройки и комплектования музея получили отражения в каталоге Галереи, вышедшем в 1917 году. Он отличался от предыдущих: это был научный каталог, в котором фиксировался состав собрания вплоть до 1917 года. Но он выполнял и функцию путеводителя по новой экспозиции. В каталоге впервые появились очерки о Павле Михайловиче и Сергее Михайловиче Третьяковых и истории Галереи. Каталог включал новый план расположения экспозиции и залов, давал четкую схему исторического развития русского искусства.
Революционные события февраля 1917 года подтолкнули И.Э. Грабаря к созданию в Москве Союза деятелей художественных хранилищ, получившего к концу года новое название – Московский союз деятелей музеев и частных хранилищ. Первым председателем Союза стал Грабарь. Из членов Совета Галереи в него вошли Р.И. Клейн, А.М. Скворцов, Н.Г. Машковцев. Грабарь в письме к А.Н. Бенуа от 2 июня 1917 года, советуя создать в Петрограде такое же объединение, подчеркивал, что в него входят "не одни музееведы, но и частные коллекционеры, т.е. владельцы собраний, имеющих общественное значение".
Тогда-то в Галерею стали поступать на временное хранение работы из многих коллекций, в частности из собрания М.С. и Х.С. Барышниковых, в котором помимо произведений иностранных мастеров, была и "Кружевница" (1823) В.А. Тропинина.
С апреля по декабрь 1917 года на временное хранение поступили картины и рисунки из собраний Е.В. Борисовой-Мусатовой и М.П. Рябушинского. Таким же образом в Галерее оказалось собрание В.О. Гиршмана, в котором были такие шедевры, как "Демон (сидящий)" (1890) М.А. Врубеля, "Портрет Г.Л. Гиршман" (1907) работы В.А. Серова, полотна З.Е. Серебряковой, К.А. Сомова, В.И. Сурикова, П.А. Федотова и И.И. Шишкина.
Знаменитый "Портрет А.А. Челищева" (1808–1809) кисти О.А. Кипренского, выдающиеся произведения Ф.С. Рокотова, Д.Г. Левицкого, В.А. Тропинина, А.Г. Венецианова, украшающие ныне Галерею, происходили из коллекции Е.П. Носовой.
К поступившим в 1910 году согласно завещанию М.А. Морозова произведениям В.М. Васнецова, М.А. Врубеля, К.А. Коровина, И.И. Левитана и др. добавились переданные в 1917 году на временное хранение многочисленные работы художников-современников и среди них шедевр В.А. Серова "Мика Морозов" (1901).
Благодаря появлению этих и многих других произведений из частных коллекций (временное оказалось постоянным) Галерея стала к 1918 году выдающимся собранием произведений национального искусства.
3 июня 1918 года Совнарком издал Декрет, который объявлял Третьяковскую галерею "государственной собственностью Российской Федеративной Советской Республики". С этого момента музей стал называться Государственной Третьяковской галереей.
Положение Галереи перед национализацией было катастрофическим. Всякие ассигнования на содержание музея прекратились: отсутствовали средства на топливо, на зарплату служащим, не говоря уже о пополнении коллекции. После национализации директором Галереи был назначен И.Э. Грабарь, а также сформирован Научно-художественный совет, куда, помимо директора, входили хранители.
При активном участии Грабаря в 1918 году был создан Национальный музейный фонд, впоследствии названный Государственным. Необходимость в подобном учреждении была связана с тем, что из национализированных дворцов, особняков, усадеб поступали произведения искусства. Их следовало распределить в музеи по всей стране. На протяжении 1918–1927 годов Государственный музейный фонд был одним из источников пополнения Галереи.
Из фонда в Третьяковскую галерею пришли как отдельные произведения, так и целые собрания – князя С.А. Щербатова, П.И. и В.А. Харитоненко, К.Ф. Арцыбушева, И.А. Морозова, М.П. Рябушинского. Подводя итоги деятельности Галереи за 1918–1922 годы, Научно-художественный совет отмечал, что ее коллекция увеличилась почти на 50%, "причем среди поступивших вещей значительная часть должна быть признана первоклассной".
Много сил приходилось тратить на то, чтобы сберечь и сохранить накопленные сокровища в трудные годы гражданской войны и разрухи. Не было топлива и освещения. По вечерам Москва погружалась во мрак. Единственный ближайший к Галерее фонарь был у Водоотводного канала. В результате холода и сырости картины в Галерее начали покрываться плесенью и грибком. Отдел реставрации старался бороться с этими опасностями. В 1919 году во главе реставрационной мастерской становится художник А.А. Рыбников.
Начиная с 1922 года жизнь музея постепенно стабилизируется, в связи с этим возникла потребность показать то новое, что появилось в нем.
К 1924 году у Галереи существовало 4 филиала.
1. Государственная Цветковская галерея, имевшая выдающуюся коллекцию рисунков и живописи, в 1925 году была присоединена к Третьяковской галерее; основная часть собрания попала в Галерею в 1926–1927 годах.
2. Музей иконописи и живописи имени И.С. Остроухова, включавший памятники древнерусского искусства – иконы, мелкую пластику, шитье, рукописные книги и произведения светского характера. Основная часть собрания поступила в Галерею в 1929 году.
3. Пролетарский музей Рогожско-Симоновского района, который использовался также для размещения фондов Галереи. Среди поступивших из него произведений особого внимания заслуживают работы из Музея имени А.В. Луначарского, созданного на основе коллекции И.С. Исаджанова.
4. Музей живописной культуры, вобравший в себя современную живопись авангардного направления, расформированый в 1928 году. Часть его собрания в 1929 году попала в Галерею, остальное – в провинциальные музеи.
Важное значение в комплектовании фондов имела передача Галерее в 1925 году произведений русской живописи из Московского Публичного и Румянцевского музеев. Это были коллекции известных собирателей – М.М. Львовой, А.П. Бахрушина, С.А. Щербатова и К.Т. Солдатенкова. В Московском Публичном и Румянцевском музеях остался лишь шедевр А.А. Иванова "Явление Христа народу (Явление Мессии)" (1837–1857), который вместе с этюдами и эскизами передали в Галерею в 1932 году. Тогда для этой картины был построен специальный зал.
Галерея стала обладательницей собрания Ф.И. Прянишникова, о котором в молодости так мечтал П.М. Третьяков. В этой коллекции были первоклассные картины А.Г. Венецианова, Д.Г. Левицкого, Ф.М. Матвеева, В.А. Тропинина, К.А. Сомова и П.А. Федотова.
В середине 1920-х годов Галерея перестала принимать картины иностранных мастеров, которые попадали из Музейного фонда. В 1925 году полотна из собрания Сергея Михайловича Третьякова были переданы в Музей изящных искусств (ныне ГМИИ). В 1927 году из ликвидированного Государственного музейного фонда началась передача работ, отобранных для Галереи. Произведения русской живописи из коллекции И.А. Морозова, переданные в 1927 году, и сегодня украшают музей.
В течение 1920–1930-х годов широкие контакты, возникшие у Галереи с крупнейшими музеями страны, позволили заполнить пробелы в ее коллекции. Несколько значительных работ петровской эпохи передала Оружейная палата. Два портрета И.Н. Никитина, "Портрет П.А. Демидова" (1773) кисти Д.Г. Левицкого были получены из Русского музея. Из бывшего собрания Сената поступили парадные портреты – "Портрет Петра III " (1762) кисти А.П. Антропова и "Портрет императрицы Елизаветы Петровны" (1743) кисти И.Я. Вишнякова.
Итогом собирательской деятельности Галереи стали систематические выставки, устраиваемые в ее стенах. Первая была задумана И.Э. Грабарем еще до национализации музея. Ее осуществили в 1918 году под названием "Художественные произведения московских частных собраний, выставленных временно в Третьяковской галерее". В эти годы возникла необходимость монографически рассмотреть творчество крупных мастеров. В 1919 году организована выставка К.А. Сомова, в 1922 – Д.Г. Левицкого, в 1920–1921 – М.А. Врубеля, в 1923 – Ф.С. Рокотова, в 1924 – В.Д. Поленова, И.Е. Репина, в 1927 – В.И. Сурикова. Внимание было обращено на тех, кто пришел в искусство в самом начале ХХ века, – это Н.П. Крымов, П.П. Кончаловский (обе выставки 1922) и Р.Р. Фальк (1924). Осуществлены выставки объединений "Голубая роза" (1925) и "Бубновый валет" (1927). В 1925 году демонстрировалась выставка "У истоков русской живописи", приуроченная к 200-летию Академии наук. Тогда же была развернута выставка, посвященная творчеству И.С. Остроухова.
К середине 1920-х годов Галерея утверждается в новом качестве просветительского учреждения. В 1926 году организован методически-просветительский отдел, который занялся экскурсионным и лекционным делом, что с тех пор стало одним из важнейших направлений музейной работы. Отдел видел свою ближайшую цель в выпуске кратких путеводителей, адресованных самой широкой аудитории, и в работе со зрителями. Среди первых изданий отдела сборник "Изучение музейного зрителя" – возможно, единственный в то время.
В связи с увеличением фондов многие экспозиционные залы были отданы под запасник для картин (в залах и запасниках скопилось около 15 тысяч произведений, многие из которых не были окончательно закреплены за музеем). К 1923 году экспозиция, которую с таким вдохновением создавал И.Э. Грабарь, сильно изменилась.
Академик архитектуры А.В. Щусев, ставший директором в 1926 году, и сменивший его на этом посту М.П. Кристи много сделали для расширения имеющегося помещения и пристройки нового. В 1927 году Галерея получила соседний дом по Толмачевскому переулку (бывший дом Соколикова). После перестройки в 1928 году он превратился в служебное здание, где разместилась администрация Галереи, научные отделы, библиотека, отдел рукописей, фонды графики. К Галерее это здание присоединялось специальной пристройкой.
В 1928 году коренным образом были переоборудованы отопление и вентиляция. В 1929 году Галерея была электрифицирована (до этого она была открыта для посетителей лишь в дневное время).
В 1928 года строилась по хронологическому принципу. Она начиналась, как и сегодня, на втором этаже произведениями XVIII века. Благодаря присоединению многих коллекций собрание живописи этого периода не уступало ни по количеству, ни по качеству экспозиции искусства второй половины XIX века. Нижний этаж (14 залов) был отведен художникам рубежа XIX –ХХ веков и современным мастерам. Особенно широко было представлено творчество К.А. Коровина, В.А. Серова, М.А. Врубеля. В трех последних залах демонстрировалось современное искусство.