La definitiva destinazione del Bargello a museo della scultura è del 1886, quando si celebrò il quinto centenario della nascita di Donatello.
Due anni più tardi il museo fu destinatario della generosa donazione di oggetti gotici e rinascimentali dell'antiquario francese Louis Carrand, alla quale seguì quella del 1894 di Costantino Ressman, ambasciatore e collezionista di armi.
Giulio Franchetti donò invece nel 1907 la sua collezione di tessuti, con esemplari che vanno dal VI al XVIII secolo.

La Sala di Michelangelo espone opere del grande artista del Rinascimento: il cosiddetto Bacco ebbro, scolpito a Roma tra il 1497 e il 1499; il tondo marmoreo raffigurante la Madonna col bambino e san Giovannino, eseguito nel 1504 per Bartolomeo Pitti; il David-Apollo, statua marmorea, cominciato nel 1531; il Bruto, busto marmoreo eseguito intorno al 1540.
Inoltre, di Jacopo Sansovino, il Bacco, statua marmorea eseguita intorno al 1520; il busto di Cosimo I di Benvenuto Cellini, in bronzo; sempre per la scultura del Cinquecento, il celebre Mercurio, splendido bronzo del Giambologna del 1564.
Dello stesso artista sono da citare anche le bellissime figure di animali, ancora in bronzo, eseguiti per la villa medicea di Castello intorno al 1567, esposte nel verone.

Nel 1886 il vasto salone che un tempo era la Sala del Maggior Consiglio fu destinato ad accogliere le opere di Donatello e di altri scultori del Rinascimento fiorentino: fra le opere del maestro, il David, bellissimo bronzo eseguito per Cosimo il Vecchio intorno al 1430; il David in marmo, considerato un'opera giovanile; il Marzocco, emblema della città di Firenze; il Busto di giovane e il busto di Niccolò da Uzzano.
In questa sala si trovano inoltre le due formelle raffiguranti il Sacrificio di Isacco che Lorenzo Ghiberti e Filippo Brunelleschi eseguirono in competizione per la seconda porta bronzea del Battistero.

La collezione di maioliche del Bargello deve molto al collezionismo dei Medici, in particolare a quello di Cosimo I, che apprezzava particolarmente l'arte della ceramica e della porcellana.
Grazie ai numerosi contributi, anche di collezionisti moderni, la sala offre un panorama quasi completo della storia della maiolica italiana: rarissimi esemplari quattrocenteschi della fabbrica di Cafaggiolo e di Deruta e, per il XVI secolo, pezzi importanti di maiolica urbinate e faentina, oltre alla splendida produzione veneziana che copre anche il secolo successivo.
Due intere sale sono inoltre dedicate alle terre invetriate di Giovanni e Andrea della Robbia, fra le quali sono da citare almeno il Presepe, appartenente al periodo della maturità di Giovanni, il Noli me tangere, eseguito da Giovan Francesco Rustici e invetriato da Giovanni e, fra le opere di Andrea, un busto-ritratto di fanciullo, forse Pietro di Lorenzo de' Medici.
La Sala del Verrocchio ospita sin dal 1873 opere toscane della seconda metà del Quattrocento; l'artista meglio rappresentato è ovviamente Andrea Verrocchio, che dà il nome alla sala. Tra le sue opere, molto noto è il David in bronzo, commissionatogli dalla famiglia dei Medici, che campeggia al centro della sala.