Luca Signorelli (1445-1523) operò nel corso della sua attività più volte a Città di Castello e in Alta Valle del Tevere. Delle numerose opere realizzate dall’artista cortonese per la città, ben quattro sono conservate nella Pinacoteca comunale. Ad esse vanno aggiunte il ciclo affrescato nel vicino oratorio di San Crescentino, nella frazione di Morra (1504-1507 ca.), le opere migrate e quelle solo documentate. I rapporti di Signorelli con Città di Castello furono molto intensi anche grazie al fatto che i Vitelli, signori della città, erano molto legati ai Medici e, in particolare, a Lorenzo il Magnifico, della cui cerchia era entrato a far parte il pittore.
Probabilmente egli giunse in Alta Valle del Tevere già al tempo del suo apprendistato presso Piero della Francesca e la vicinanza all’artista di Sansepolcro è testimoniata dalla più antica opera superstite a lui attribuita in città: un frammento di affresco del 1474 proveniente dalla Torre del Vescovo, esposto in Pinacoteca.
Tra il 1486 e il 1488 Signorelli ricevette dei pagamenti per la realizzazione del perduto gonfalone per la locale confraternita di Santa Maria. L’opera valse al pittore la cittadinanza onoraria tifernate nel 1488. Negli stessi anni l’artista ottenne le più importanti commissioni legate alla famiglia Vitelli, come i ritratti di Niccolò e dei suoi figli (Birmingham, Barber Institute e Firenze, Villa i Tatti), di cui si conservano delle copie in Pinacoteca, e ai maggiori ordini religiosi cittadini come l’Adorazione dei Magi e la Natività per la chiesa di Sant’Agostino (rispettivamente Parigi, Louvre e Napoli, Museo Nazionale di Capodimonte) e l’Adorazione dei pastori per quella di San Francesco (Londra, National Gallery). A queste opere migrate si aggiungono quelle documentate ma non ancora individuate come una seconda Natività per Santa Maria Nuova e una pala d’altare dipinta per la chiesa di Santa Maria delle Grazie.
All’interno della Pinacoteca comunale di Città di Castello si trova il suggestivo Martirio di san Sebastiano, da poco restaurato. L’opera, commissionata nel 1498 dal mercante Tommaso Brozzi per la sua cappella in San Domenico, avrà una forte influenza negli artisti del tempo, tanto che sarà di ispirazione per il giovane Raffaello, giunto in città qualche anno dopo. Ai primi anni del Cinquecento risale invece lo stendardo processionale con il Battesimo di Cristo e San Giovanni Battista realizzato, con la collaborazione della bottega, per la locale Confraternita di San Giovanni Decollato. Fa parte delle raccolte comunali anche un’opera riferibile alla tarda attività del pittore: la Pala di Santa Cecilia proveniente dall’omonimo monastero francescano tifernate.