Truyện xoay quanh nhân vật người anh và cô em gái nhỏ có tài năng hội hoạ. Hai anh em đã rất thân thiết với nhau cho đến khi tài năng hội hoạ của em mình được phát hiện, người anh đã ghen tị và trở nên gắt gỏng với em. Từ đó hai anh em cũng không còn chơi với nhau như trước nữa. Cho đến tận khi đứng trước bức tranh vẽ mình của em gái người anh mới hiểu ra tình cảm của em, thấy day dứt và có lỗi với em. Từ đây, người anh cũng nhận ra được những yếu kém của mình, đồng thời cũng hiểu được tâm hồn cũng như tấm lòng nhân hậu của em.
Truyện được chia làm 4 phần. Đầu tiên tác giả đã giới thiệu về Kiều Phương sau đó tài năng hội họa của em bất ngờ được phát hiện đã dẫn đến những thay đổi về tâm trạng và thái độ của người anh trước sự thành công của em mình, để rồi người anh ân hận về chính mình khi đứng trước bức tranh của em gái. Và để hiểu hơn về "Bức tranh của em gái tôi" chúng ta cần đào sâu vào khai thác tâm lí của hai nhân vật chính.
Trước hết là nhân vật người anh, khi thấy em gái mình chế màu vẽ, người anh đã tỏ ý xem thường và gọi em gái là Mèo. Khi tài năng hội họa của em gái được phát hiện người anh tỏ thái độ không vui và ghen tị với Kiều Phương. Từ đây, tình cảm giữa hai anh em đã không còn thân thiết như trước. Người anh vốn đã coi thường em gái, cho em gái là đồ nghịch bẩn; nay bỗng dưng em lại thua kém em gái, đó là điều mà em cảm thấy khó chấp nhận nhất. Sự mặc cảm, tự ái trong người anh diễn ra rất tự nhiên, rất phù hợp với tâm lý lứa tuổi như các em.
Đến khi người anh nhận ra nhân vật chính trong bức ảnh đạt giải nhất của Kiều Phương chính là mình, người anh đã đi từ ngỡ ngàng đến hãnh diện và sau cùng là xấu hổ. Đó là cái ngỡ ngàng vì không nghĩ rằng trong mắt em gái mình lại toàn mỹ đến thế. Hãnh diện vì tài năng của em mình, vì sự hoàn hảo của mình trong bức tranh. Bức tranh "Anh trai tôi" là hình ảnh một cậu bé đang nhìn ra ngoài cửa sổ, nơi bầu trời trong xanh. Mặt chú bé như tỏa ra một thứ ánh sáng rất lạ, toát lên ở tư thế ngồi là sự mộng mơ của một tâm hồn thơ bé. Đó là một người anh trong những suy nghĩ và có cả sự tưởng tượng của người em gái. Chính điều đó đã làm cho niềm vui, niềm hạnh phúc của người anh chuyển thành xấu hổ. Dưới con mắt của em gái, người anh thật hoàn hảo, nhưng thực tế người anh chưa làm được những gì xứng đáng với suy nghĩ của người em. Trước bức tranh của em gái, người anh đã nhận ra những khuyết điểm của mình đồng thời cũng hiểu được tình cảm của em.
Trái ngược với người anh, Kiều Phương được miêu tả là một cô bé vô cùng dễ thương. Hai anh em luôn sống vui vẻ, yêu thương, hoà thuận với nhau từ nhỏ. Anh trai cô hay gọi cô là Mèo vì cô hay bày trò pha màu, tô vẽ làm bẩn chính mình khi vẽ. Nhưng Kiều Phương chưa bao giờ buồn và vẫn kiên trì với niềm đam mê của mình. Đến khi tài năng của Phương được phát hiện cả nhà đã vô cùng xúc động chúc mừng cô bé nhưng anh trai cô lại tỏ ra ghen tị và cảm thấy bản thân mình kém cỏi. Quan hệ giữa hai anh em từ đây mà trở nên không còn thân thiết. Người anh thường xuyên kiếm cớ cáu giận, quát mắng Phương. Hành động của anh đã khiến cô bé rất buồn, thậm chí có chút không dám lại gần anh. Nhiều hôm cô thấy anh trai ngồi bên cửa sổ mặt mơ màng suy nghĩ vẩn vơ một điều gì đó. Cô bé không biết anh lo lắng hay nghĩ ngợi điều gì, muốn hỏi anh trai mình nhưng lại sợ bị mắng nên thôi. Bằng tất cả tình yêu thương, Kiều Phương đã vẽ lại dáng vẻ thẫn thờ đó của anh mình bên bàn học. Bức tranh "Anh trai tôi" của Phương đã đạt giải cao nhất trong cuộc thi vẽ tranh đó. Điều đó khiến anh trai cô bé rất ngỡ ngàng, hạnh phúc rồi đến xấu hổ.
Có thể thấy, Tạ Duy Anh đã sử dụng ngôi thứ nhất để kể lại câu chuyện. Lối kể hồn nhiên này đã góp phần tạo độ tin cậy và tính chân thực cho người đọc. Đặc biệt trong truyện tác giả đã miêu tả rất tinh tế diễn biến tâm lí nhân vật. Người đọc như được hóa thân thành nhân vật qua từng câu chữ của tác giả.
Quan trọng hơn ẩn sâu bên trong nội dung giản dị đó, tác phẩm muốn gửi tới người đọc lời nhắn rằng trước thành công hay tài năng của người khác, mỗi người cần vượt qua lòng mặc cảm và tự ti để có được sự trân trọng và niềm vui từ tận đáy lòng. Quan trọng hơn đó là lòng nhân hậu và sự độ lượng có thể giúp con người vượt lên chính bản thân mình.
Người ta vẫn thường nói, tác phẩm văn học có giá trị là ở tác phẩm đó phải chứa đựng thông điệp của tác giả, phải thay tác giả truyền tải thông điệp của mình với mọi người. Tác phẩm như bức thông điệp mà tác giả muốn truyền tải tới độc giả về tình cảm gia đình.