Τον Δεκέμβριο του 1972 τη διεύθυνση της Πινακοθήκης ανέλαβε ο αρχαιολόγος και ιστορικός τέχνης Δημήτρης Παπαστάμος (1923-2008), παραμένοντας στη θέση αυτή έως τον Οκτώβριο του 1989.

Η περίοδος που διηύθυνε την Πινακοθήκη ο Δημήτρης Παπαστάμος χαρακτηρίζεται από την εδραίωση του μουσείου, η οποία επιτεύχθηκε με την οριστική επίλυση του στεγαστικού και τη ριζική διοικητική αναδιοργάνωσή του.

Το 1976 ολοκληρώθηκε και το δεύτερο τμήμα του κτιρίου. Τα επίσημα εγκαίνια της Πινακοθήκης έγιναν πανηγυρικά στις 17 Μαΐου 1976 από τον πρόεδρο της Δημοκρατίας Κωνσταντίνο Τσάτσο και τον πρωθυπουργό Κωνσταντίνο Καραμανλή.

Το 1980 ψηφίστηκε ο νόμος 1079, «Περί Οργανισμού και λειτουργίας της Εθνικής Πινακοθήκης και Μουσείου Αλεξάνδρου Σούτσου». Ο νόμος αυτός κατάργησε τις περισσότερες διατάξεις του νόμου 2814/1954 και θεσμοθέτησε νέες δραστηριότητες, δίνοντας τη δυνατότητα διεύρυνσης του περιεχομένου των συλλογών και αναδιοργάνωσης και ανάπτυξης των τμημάτων του μουσείου σύμφωνα με τις σύγχρονες απαιτήσεις.

Έτσι, οι υπηρεσίες της Πινακοθήκης συγκροτήθηκαν σε Γενική Διεύθυνση με τρεις Διευθύνσεις: α) Συλλογών, Καλλιτεχνικού και Μουσειολογικού Προγραμματισμού, β) Διοικητικού-Οικονομικού και γ) Καλλιτεχνικής Συντήρησης και Αποκατάστασης έργων τέχνης. Η αύξηση του προσωπικού ήταν θεαματική και κάλυπτε όλες τις απαραίτητες ειδικότητες, ενώ για πρώτη φορά η επιμέλεια των συλλογών ανατέθηκε σε ιστορικούς τέχνης, οι οποίοι προέβησαν και σε συστηματικότερη οργάνωσή τους.

Οι συλλογές εμπλουτίστηκαν, ενώ πραγματοποιήθηκαν σημαντικές δωρεές έργων, όπως των Τάσσου, Νικολάου Βεντούρα, Γιώργου Μόσχου, Κωνσταντίνου Παρθένη, Ουμβέρτου Αργυρού, Γιώργου Γουναρόπουλου, Νίκου Χατζηκυριάκου-Γκίκα και Γιάννη Μόραλη. Ακόμη, με τη συνδρομή του Σταύρου Νιάρχου και του Βασίλη Γουλανδρή αγοράστηκε ο "Έφιππος έλληνας αγωνιστής" του Eugène Delacroix, με τη συνδρομή του Βασίλη και του Νίκου Γουλανδρή η μεγάλη τοιχογραφία του Φώτη Κόντογλου που κοσμούσε το σπίτι του, ενώ με χρήματα από το κληροδότημα του Οδυσσέα Φωκά και με την οικονομική συμβολή του Βασίλη Γουλανδρή αγοράστηκε ο "Άσωτος υιός" του Auguste Rodin.

Η επίλυση του στεγαστικού έδωσε τη δυνατότητα για μόνιμη έκθεση των συλλογών, στην οποία από το 1977 περιελήφθησαν και έργα από τη συλλογή Ευριπίδη Κουτλίδη. Επιπλέον, καθιερώθηκε μια εκτεταμένη και συστηματική εκθεσιακή δραστηριότητα, με έμφαση στην προβολή του έργου κυρίως των Ελλήνων καλλιτεχνών. Παρουσιάστηκαν επίσης εκθέσεις ξένων καλλιτεχνών, πολλές από τις οποίες έγιναν στο πλαίσιο διακρατικών ανταλλαγών, καθώς και μερικές πολύ αξιόλογες ομαδικές διοργανώσεις. Οργανώθηκαν επίσης εκθέσεις στο εξωτερικό, αλλά και στην ελληνική επαρχία, με σκοπό την εικαστική διαπαιδαγώγηση του κοινού και ιδιαίτερα των μαθητών. Παράλληλα οργανώνονταν ποικίλες καλλιτεχνικές εκδηλώσεις, διαλέξεις, συνέδρια, παραστάσεις παιδικού θεάτρου και κουκλοθεάτρου, ενώ άρχισε να λειτουργεί παιδικό εργαστήριο.

Το 1983 ιδρύθηκε στη Σπάρτη η Κουμαντάρειος Πινακοθήκη, το πρώτο παράρτημα της Πινακοθήκης εκτός Αθήνας. Η Κουμαντάρειος Πινακοθήκη στεγάστηκε στο νεοκλασικό κτήριο που ευγενικά παραχώρησαν, μαζί με τη συλλογή τους, ο Γεώργιος Κουμάνταρος και η αδελφή του Αικατερίνη (Ντόλλυ) Γουλανδρή προς τιμήν του πατέρα τους, Ιωάννη Κουμάνταρου

Τέλος, με την οικονομική συμβολή της ζωγράφου και χαράκτριας Κούλας Μπεκιάρη-Βεκρή, το 1986 ιδρύθηκε σε αυτόνομους χώρους του μουσείου η πρώτη Γλυπτοθήκη, που λειτούργησε ως τις αρχές της δεκαετίας του 1990. Ήταν η πρώτη αυτόνομη έκθεση της μόνιμης συλλογής γλυπτικής της Πινακοθήκης και παρουσίαζε την αρχή και την εξέλιξη της νεοελληνικής γλυπτικής έως το 1940.