Muzeul Thyssen-Bornemisza de la Palatul Villahermos, împreună cu Muzeul Prado și Centrul de Artă Regina Sofia fac parte din așa-numitul Triunghi al Artei. Acesta prezintă picturi din colecția baronului Heinrich Thyssen-Bornemisza și a fiului său Hans Heinrich. Colecția Thyssen-Bornemisza strălucește în special în domeniile care sunt subreprezentate în alte muzee spaniole. Picturile din Trecento (secolul al XIV-lea italian), precum Hristos și femeia samariteană de Duccio di Buoninsegna, și operele artiștilor olandezi timpurii, cum ar fi Dipticele Bunei Vestiri grisaille de Jan Van Eyck, sunt cele mai bune exemple de artă medievală târzie din muzeu. Muzeul găzduiește, de asemenea, o colecție rafinată de portrete din secolul al XV-lea, inclusiv unul al Giovannei Tornabuoni de Ghirlandaio și unul al Tânărului cavaler într-un peisaj de Carpaccio. Lucrări de Dürer, Caravaggio, Rubens, Frans Hals și Canaletto ne ajută să urmărim traiectoria artei europene între secolele al XVI-lea și al XVIII-lea.
O vizită la muzeu oferă o ocazie minunată de a studia atât peisajele, cât și arta de gen, două tipuri de picturi care au fost deosebit de populare în școala olandeză din secolul al XVII-lea și printre artiștii americani din secolul al XIX-lea. Aceste picturi i-au inspirat, de asemenea, pe pictorii romantici, cum ar fi Friedrich, pe impresioniști precum Monet și Degas, și pe post-impresioniști, cum ar fi Gauguin și Van Gogh, toți aceștia fiind reprezentați în colecția muzeului.
De asemenea, muzeul se mândrește cu lucrări importante ale avangardei secolului XX: fauvism, expresionism, suprarealism, abstracție și pop art. Arlechin cu oglindă de Picasso, Tablou cu trei pete, nr. 196 de Kandinsky, Visul cauzat de zborul unei albine în jurul unei rodii cu o secundă înainte de trezire de Dali, Cocoșul de Chagall, Camera de hotel de Hopper și Femeia în baie de Lichtenstein sunt câteva dintre ele.
Colecția Thyssen-Bornemisza este repartizată în jurul etajului al doilea, unde se găsesc Maeștrii Vechi până la începutul secolului al XIX-lea, iar primul etaj este dedicat operelor Maeștrilor Moderni, de la impresionism până în secolul al XX-lea.
Parterul muzeului, cu intrare proprie la începutul sălii principale, găzduiește noua instalație de 180 de lucrări din colecția Carmen Thyssen.
Heinrich Thyssen-Bornemisza a început să colecționeze opere de artă în anii 1920. Profitând de perioada marii crize din Statele Unite, a cumpărat tablouri la prețuri destul de mici. Din cauza problemelor financiare, proprietarii acestora au fost de acord chiar și cu cele mai nefavorabile condiții de vânzare.