Zbiory Museum Ludwig prezentuje na powierzchni 8000 metrów kwadratowych prace wielu artystów z całego świata. Kolekcja muzeum zawiera przykłady najważniejszych okresów i stanowisk w rozwoju sztuki XX wieku, a także sztuki współczesnej. W skład kolekcji wchodzą m.in.: Być może Roya Lichtensteina, Pudełka Brillo Andy’ego Warhola, Okno w restauracji George’a Segala. Zbiór został podarowany muzeum przez Irenę i Petera Ludwigów, którym udało się zebrać największą kolekcję Pop-artu poza granicami USA. Przez lata muzeum powiększyło swoje zasoby o m.in. kolekcję dzieł sztuki Picassa, przedstawicieli rosyjskiej awangardy z lat 1905–1935 (Gonczarowa, Larionow, Exter, Popowa, Malewicz, Rodczenko) czy dzieła Aernouta Mika, Diany Thater i Mike’a Kelleya.
Zbiory zwrócone spadkobiercom W 1999 roku muzeum zwróciło obraz Zwei weibliche Halbakte (Dwa akty kobiece) (1919) autorstwa Otto Muellera spadkobiercom doktora Ismara Littmanna. W lutym 2000 roku muzeum zwróciło La Grappe de Raisins (1920) Louisa Marcoussisa (1883–1941) rodzinie El Lissitzky'ego i Sophie Lissitzky-Küppers. W 2013 roku miasto Kolonia zgodziło się, że Museum Ludwiga zwróci spadkobiercom sześć cennych rysunków zrabowanych przez nazistów żydowskiemu kolekcjonerowi dzieł sztuki Alfredowi Flechtheimowi.