Custodia el Palacio obras que forman parte de su historia. Su decoración interior es a veces alegórica: el antiguo salón de plenos -hoy Sala de la Constitución-, posee ornamentación historicista con figuras evocadoras del origen del Principado de Asturias en 1388; decoración que contrasta con motivos de montaña y marina de Manuel Medina Díaz (1881 – 1955) y Juan Martínez Abades (1862-1920) y con otros de inspiración francesa. El lenguaje alegórico se repite en el Salón Europa -antes de recepciones-, donde figuras alusivas a la laboriosidad e instrucción representan el progreso y riqueza industrial de Asturias. También en el despacho de la Presidencia, donde la Musa Clío escribe la Historia de Asturias con la capital al fondo.
Destacan en el Palacio sus vidrieras, realizadas por la Casa Mauméjean en 1909, algunas alfombras de Stuyck y relojes como los de Corao, firmados por Ismael y Roberto Miyar, o el que reproduce el davidiano «Juramento de los Horacios». Sobresalen también, en escultura, dos bustos de José Gragera y Herboso (1818-1897), correspondientes a Jovellanos y José Francisco Uría y Riego, siendo igualmente de interés la figura femenina de César Montaña (1928-2000) y el grupo alegórico que corona la fachada exterior, de Víctor Hevia (1885-1957).
La sala Argüelles posee dos telas grandes de inspiración regionalista, de José Ramón Zaragoza (1874-1949) y Mariano Moré (1899- 1974), así como obras de los pintores asturianos más representativos de la primera mitad del siglo pasado, Evaristo Valle (1873-1951), «Pueblo en fiestas» y Nicanor Piñole (1878-1978) «Plaza de Europa». La misma planta acoge una «marina» de Adolfo Guiard (1860-1916) de gran valor, el «Paisaje con jinete» de Evaristo Valle, sendos paisajes de José Purón Sotres (1912-1987) y Telesforo Fernández Cuevas (1849-1934) y «dos escolares», de Magín Berenguer (1918-200). La pieza más antigua es el «devoto santuario de María Santísima de Covadonga», de Jerónimo Antonio Gil (1732- 1798); cerca se encuentran el «Barrio de Cimadevilla» (Antonio López Serrano, 1921), un hórreo de Cirilo Martínez Novillo (1921-2008) y «Máquinas», una de las obras tempranas de Eduardo Úrculo (1938-2003).
La galería del tercer piso exhibe ocho litografías de tauromaquia del Juan Barjola (1919-1924).
En la planta baja, Rubén Darío Velázquez (1934) firmó en 1959 la limpia y colorida «Músicos». La cercana galería de Presidentes incluye los cuadros firmados por Miguel Galano (1956) para «Antonio Landeta y Álvarez –Valdés», José Paredes (1949) para «Agustín Antuña», Mabel Álvarez Lavandera (1951) para «Juan Ramón Zapico», Reyes Díaz (1948) para «Laura González», Luis Rodríguez Vigil (1963) para «Eugenio Carbajal», Alejandro Mieres (1927) para «Faustino González Alcalde» y el de Alfredo Enguix (1930) para «Ovidio Sánchez Díaz».
El piso bajo, habilitado para Hemiciclo (1998), cuenta con un gran mural de María Jesús Rodríguez (Oviedo, 1959), titulado «Sele ye la nueche».
La Junta posee cuadros de ganadores y seleccionados del Premio de Pintura que entre 2001 y 2010 posibilitó la promoción de artistas a nivel nacional: Miguel Galano, Chechu Álava, Natalia Pastor, Ricardo Mojardín, Benjamín Menéndez, Javier Victorero, Federico González Granell, Roberto Coromina, Bernabé Fernández o Luis Ángel Suárez Lanzas, por citar solo a los ganadores.