Die Anfänge der Sammlung mittelalterlicher Bildwerke sind nur schwer zurückzuverfolgen bis ins 19. Jahrhundert. Ein erstes Inventar der Plastiken wurde 1901 unter der Leitung von Friedrich Back erstellt. Einige Werke stammen wohl aus der Sammlung des Kölner Barons von Hüpsch, die jedoch größtenteils aus Elfenbein, Emails, Handschriften und Tafelgemälden bestand. Der Großteil der skulpturalen Werke der Darmstädter Sammlung aus Stein, Holz und Ton stammt aus der Mittelrheinregion.

Der figürliche Schmuck im Mittelalter war meist in Kirchen verortet, wo die Skulpturen Heiliger die Altaraufsätze schmückten oder den Kirchenraum gliederten. Aber auch Skulpturen wie das Lüsterweibchen (um 1420-30), das für eine profane Raumausstattung geschaffen wurde, gehören zur Sammlung. Bemerkenswert ist der Bestand der in der ersten Hälfte des 15. Jahrhunderts im Mittelrheingebiet entstandenen Reihe sehr qualitätsvoller Skulpturen aus gebranntem Ton, die trotz der recht schwierigen Technik eine beachtliche Größe haben konnten. Der Tonkopf des Joseph von Arimathia stammt ursprünglich aus einer vielfigurigen Gruppe der Beweinung Christi (um 1430) und die Standfigur war im Original ca. 120 cm groß. Einen weiteren Höhepunkt stellt die Kreuzigungsgruppe (um 1500) von Tilman Riemenschneider und Werkstatt dar.