Von Anfang an war das Martin von Wagner Museum mit der archäologischen und kunsthistorischen Lehre an der Universität Würzburg auf das Engste verknüpft. Die Geburtsstunde der wissenschaftlichen Beschäftigung mit der bildenden Kunst schlug an der Alma Julia im Jahr 1790, als Bonaventura Andres für das Sommersemester 1790 eine Vorlesung über Lessings „Laokoon“ ankündigte. Seit 1815 hielt Franz Joseph Fröhlich kunsthistorische Vorlesungen, im Wintersemester 1816/17 sogar verbunden mit einer „kritischen Betrachtung vorhandener Kunstwerke“. Für das Sommersemester 1831 heißt es im Vorlesungsverzeichnis: „Aesthetik als Kunstwissenschaft. Professor Fröhlich, nach eigenen Ansichten mit kritischer Beleuchtung vorzüglicher Kunstwerke“. Demnach hat Fröhlich im Unterricht originales Anschauungsmaterial verwendet.
Seit 1963 ist das Martin von Wagner Museum im Südflügel der Residenz untergebracht. Die Säle der Gemäldegalerie wurden in den vergangenen Jahren einer durchgreifenden Modernisierung unterzogen.