Da quando nel 1855 è diventata la sede storica del Museo civico, Palazzo Chiericati custodisce le raccolte comunali di dipinti, sculture e arti applicate appartenenti al XIII al XVIII secolo. Si tratta di un capolavoro della prima maturità di Palladio (1550) che, oltre alle decorazioni originali, conserva documenti di rilievo della storia artistica vicentina, tra cui una serie di pale provenienti dalla distrutta chiesa di S. Bartolomeo, opera di Montagna, Cima da Conegliano, Buonconsiglio, Fogolino, Speranza e i lunettoni raffiguranti i Rettori di Vicenza, già in Palazzo Pretorio, opera di Jacopo Bassano, Maffei e Carpioni.
Le collezioni private donate nel corso del XIX secolo comprendono capolavori di Memling, Tintoretto, Veronese, Van Dyck, Giordano, Gian Battista e Tiepolo. Merita di essere menzionato anche il Gabinetto di Numismatica, che conserva circa 25.000 pezzi tra monete e medaglie, e il Gabinetto dei Disegni e Stampe, dove sono custoditi 33 disegni autografi di Andrea Palladio.