Ο Γεώργιος Ιακωβίδης παρέμεινε έφορος της Πινακοθήκης ως το 1918. Το 1918 η κυβέρνηση των Φιλελευθέρων ψήφισε το νόμο 1434 «Περί οργανώσεως της Εθνικής Πινακοθήκης», ο οποίος προέβλεπε ριζική αναδιοργάνωση και αναβάθμιση του μουσείου, τόσο σε διοικητικό όσο και σε οικονομικό επίπεδο. Μεταξύ άλλων, ο νόμος καταργούσε τη θέση του εφόρου και προέβλεπε θέση διευθυντή, την οποία κατέλαβε ο λογοτέχνης και φιλότεχνος Ζαχαρίας Παπαντωνίου (1877-1940). Επιπλέον, για πρώτη φορά προβλεπόταν ετήσια επιχορήγηση από τον προϋπολογισμό του υπουργείου για τον εμπλουτισμό των συλλογών, καθώς και συγκρότηση Καλλιτεχνικού Συμβουλίου, το οποίο θα πρότεινε στο υπουργείο κάθε αγορά ή αποδοχή δωρεάς έργων, αντί για τον έφορο και τα μέλη της Επιτροπής Επίβλεψης. Μέλη του πρώτου Καλλιτεχνικού Συμβουλίου ορίστηκαν οι Γεώργιος Ιακωβίδης (πρόεδρος) και Ζαχαρίας Παπαντωνίου, Γεώργιος Χατζόπουλος, Κωνσταντίνος Χατζόπουλος και Κωνσταντίνος Μαλέας.

Με τον ίδιο νόμο θεσμοθετήθηκε, επίσης για πρώτη φορά, η ύπαρξη συλλογής γλυπτικής.

Ο Παπαντωνίου επιχείρησε να λύσει σημαντικά προβλήματα, χωρίς όμως αποτέλεσμα. Επιχείρησε τη συνένωση της Πινακοθήκης με το κληροδότημα του νομικού και φιλότεχνου Αλέξανδρου Σούτζου (1839-1895), ο οποίος με τη διαθήκη του είχε κληροδοτήσει την περιουσία του στο ελληνικό δημόσιο με σκοπό την ίδρυση και συντήρηση Μουσείου Ζωγραφικής. Για την επίλυση του στεγαστικού, το 1926, σε συνεργασία με την επιτροπή διαχείρισης του κληροδοτήματος Σούτζου, αγόρασε το Ιλίου Μέλαθρον, ακύρωσε όμως την αγορά μόλις διαπίστωσε ότι το κτήριο δεν ήταν κατάλληλο για μουσείο.

Για τον εμπλουτισμό των συλλογών, με την ετήσια επιχορήγηση του υπουργείου ή με ειδικές επιχορηγήσεις από το δημόσιο, αγοράστηκαν κυρίως έργα Ελλήνων ζωγράφων, όπως των Νικολάου Δοξαρά, Νικολάου Καντούνη, Νικολάου Γύζη, Νικηφόρου και Νικολάου Λύτρα, Κωνσταντίνου Μαλέα, Δημήτρη Γαλάνη, Πάνου Αραβαντινού, Κωνσταντίνου Παρθένη, Νικολάου Χειμώνα, Περικλή Πανταζή και Βασιλείου Χατζή, ώστε να δημιουργηθεί μια αντιπροσωπευτική εικόνα από την επτανησιακή τέχνη έως τη σύγχρονη εποχή.

Το 1931, επιπλέον, πραγματοποιήθηκε η σημαντικότερη αγορά για την Πινακοθήκη: σε δημοπρασία στο Μόναχο αγοράστηκε η "Συναυλία των Αγγέλων", το πάνω τμήμα της σύνθεσης "Ευαγγελισμός" του Δομήνικου Θεοτοκόπουλου, αντί του ποσού των 5.900.775 δραχμών. Ακόμη, στη διάρκεια της θητείας του Ζαχαρία Παπαντωνίου εγκαινιάστηκε η συλλογή γλυπτικής. Έτσι, στην επανέκθεση της μόνιμης συλλογής ζωγραφικής το 1934, παρουσιάστηκαν για πρώτη φορά και γλυπτά. Ο Παπαντωνίου άνοιξε επίσης το μουσείο στο κοινό σε καθημερινή βάση, ορίζοντας ώρες επίσκεψης με ελεύθερη είσοδο.