O Museu Thyssen-Bornemisza no Palácio de Villahermos juntamente com o Museu do Prado e o Centro de Arte Rainha Sofia pertence ao chamado Triângulo da Arte. Apresenta pinturas da colecção do Barão Heinrich Thyssen-Bornemisza e do seu filho Hans Heinrich. A colecção da Thyssen-Bornemisza brilha particularmente nas áreas que estão subrepresentadas noutros museus espanhóis. Pinturas do Trecento (século XIV italiano), como Cristo e a Mulher Samaritana de Duccio di Buoninsegna, e obras de artistas do início da Holanda como The Annunciation Diptych grisaille de Jan Van Eyck são os melhores exemplos da arte medieval tardia. O museu alberga também uma requintada colecção de retratos do século XV, incluindo um de Giovanna Tornabuoni de Ghirlandaio e um de Young Knight in a Landscape de Carpaccio. Obras de Dürer, Caravaggio, Rubens, Frans Hals e Canaletto ajudam-nos a traçar a trajectória da arte europeia entre os séculos XVI e XVIII.
Uma visita ao museu oferece uma oportunidade maravilhosa para estudar tanto a arte paisagística como a arte de género, dois tipos de pintura que foram particularmente populares na escola holandesa do século XVII e entre os artistas americanos do século XIX. Estas pinturas também inspiraram pintores Românticos, como Friedrich, Impressionistas como Monet e Degas, e Pós-Impressionistas, como Gauguin e Van Gogh, todos eles representados na colecção do museu.
Também ostenta importantes obras de vanguarda do século XX: fauvismo, expressionismo, surrealismo, abstracção e arte pop. Arlequim com um Espelho de Picasso, Fotografia com Três Pontos, No. 196 de Kandinsky, Sonho Causado pelo Voo de uma Abelha em torno de uma Romã um Segundo antes de Despertar de Dali, O Galo de Chagall, Quarto de Hotel de Hopper e Mulher em Banho de Lichtenstein são algumas delas.
A colecção Thyssen-Bornemisza está espalhada pelo segundo andar, onde se encontram os antigos mestres até ao início do século XIX, e o primeiro andar é dedicado ao trabalho dos mestres modernos desde o impressionismo até ao século XX.
O rés-do-chão do museu, com entrada própria no início do salão principal, alberga a nova instalação de 180 obras da colecção Carmen Thyssen.
Heinrich Thyssen-Bornemisza começou a coleccionar obras de arte na década de 1920. Aproveitando o período da grande crise nos Estados Unidos, comprou quadros por preços bastante baixos. Devido a problemas financeiros, os seus proprietários concordaram até com as condições de venda mais adversas.