Seit der Gründung des Fotomuseum Winterthur 1993 wurde das Sammeln von zeitgenössischer Fotografie als ein wichtiger Aspekt der Museumsaktivitäten festgeschrieben. Durch Ankäufe sowie durch Schenkungen und Dauerleihgaben von privaten Förderern und von Stiftungen konnten bisher rund 4000 Fotografien in die Sammlung eingehen. Seit 2003 werden jedes Jahre Teile des Bestandes in kuratierten Sammlungspräsentationen vorgestellt, jeweils begleitet von Sammlungsbroschüren (Set 1, 2, 3, 4 …).
"Sammlung Online" ist ein weiteres besonderes Instrument, die wachsenden Bestände der Sammlung Fotomuseum Winterthur einem breiten, internationalen Publikum zugänglich zu machen. Die Werke werden dabei geschützt, während ihre Reproduktionen öffentlich einsehbar sind. Die BenutzerInnen sind eingeladen, sich mit Hilfe eines Fotografenindexes, einer Volltextsuche, mit Informationen zu Werktiteln und Technik sowie mit kommentierten Künstler- und Werkgruppenbeschreibungen in die Sammlung und in die Denk- und Arbeitsweise der rund 300 FotografInnen hineinzuversetzen.
Das Fotomuseum Winterthur widmet sich auch dem Gebrauch der Fotografie im 19. und 20. Jahrhundert und arbeitet die sogenannte angewandte Auftragsfotografie unter klar definierten Fragestellungen auf und sucht sie zu bewahren.