Museum Thyssen-Bornemisza di Istana Villahermos bersama dengan Museum Prado dan Pusat Seni Queen Sofia termasuk dalam apa yang disebut Segitiga Seni. Museum ini menyajikan lukisan-lukisan dari koleksi Baron Heinrich Thyssen-Bornemisza dan putranya, Hans Heinrich. Koleksi Thyssen-Bornemisza sangat bersinar di bidang-bidang yang kurang terwakili di museum Spanyol lainnya. Lukisan-lukisan dari Trecento (abad ke-14 Italia), seperti Kristus dan Wanita Samaria karya Duccio di Buoninsegna, dan karya-karya seniman Belanda Awal seperti The Annunciation Diptych grisaille karya Jan Van Eyck adalah contoh terbaik museum ini dari seni abad pertengahan akhir. Museum ini juga memiliki koleksi potret abad ke-15 yang sangat indah, termasuk salah satu potret Giovanna Tornabuoni karya Ghirlandaio dan salah satu Ksatria Muda dalam Lanskap karya Carpaccio. Karya Dürer, Caravaggio, Rubens, Frans Hals dan Canaletto membantu kita menelusuri jejak seni Eropa antara abad ke-16 dan ke-18.
Kunjungan ke museum ini menawarkan kesempatan yang luar biasa untuk mempelajari seni lanskap dan genre, dua jenis lukisan yang sangat populer di sekolah Belanda abad ke-17 dan di antara para seniman Amerika abad ke-19. Lukisan-lukisan ini juga menginspirasi pelukis Romantis, seperti Friedrich, Impresionis seperti Monet dan Degas, dan Post-Impresionis, seperti Gauguin dan Van Gogh, yang semuanya terwakili dalam koleksi museum.
Museum ini juga membanggakan karya-karya avant-garde abad ke-20 yang penting: fauvisme, ekspresionisme, surealisme, abstraksi dan seni pop. Harlequin dengan Cermin oleh Picasso, Gambar dengan Tiga Bintik, No. 196 oleh Kandinsky, Mimpi yang Disebabkan oleh Terbangnya Lebah di sekitar Delima Sedetik sebelum Bangun oleh Dali, The Cock oleh Chagall, Kamar Hotel oleh Hopper dan Wanita di Kamar Mandi oleh Lichtenstein adalah beberapa di antaranya.
Koleksi Thyssen-Bornemisza tersebar di sekitar lantai dua, di mana Old Masters hingga awal abad ke-19 ditemukan, dan lantai pertama dikhususkan untuk karya Modern Masters dari impresionisme hingga abad ke-20.
Lantai dasar museum, dengan pintu masuknya sendiri di awal aula utama, menampung instalasi baru 180 karya dari koleksi Carmen Thyssen.
Heinrich Thyssen-Bornemisza mulai mengumpulkan karya seni pada tahun 1920-an. Memanfaatkan periode krisis besar di Amerika Serikat, ia membeli lukisan dengan harga yang cukup rendah. Karena masalah keuangan, pemiliknya menyetujui kondisi penjualan yang paling buruk sekalipun.