Muzej Thyssen-Bornemisza u palači Villahermos zajedno s muzejom Prado i umjetničkim centrom Queen Sofia pripada takozvanom umjetničkom trokutu. Predstavlja slike iz zbirke baruna Heinricha Thyssen-Bornemisze i njegova sina Hansa Heinricha.Zbirka Thyssen-Bornemisze posebno blista u područjima koja su nedovoljno zastupljena u drugim španjolskim muzejima. Slike iz Trecenta (talijansko 14. stoljeće), poput Krista i Samaritanke Duccia di Buoninsegna, i djela ranih nizozemskih umjetnika poput Diptih Navještenja grisaille Jana Van Eycka najbolji su primjeri kasnosrednjovjekovne umjetnosti u muzeju. U muzeju se također nalazi izvrsna kolekcija portreta iz 15. stoljeća, uključujući jedan od Giovanne Tornabuoni od Ghirlandaia i jedan od Mladog viteza u pejzažu od Carpaccia. Djela Dürera, Caravaggia, Rubensa, Fransa Halsa i Canaletta pomažu nam pratiti putanju europske umjetnosti između 16. i 18. stoljeća.Posjet muzeju nudi prekrasnu priliku za proučavanje i pejzažne i žanrovske umjetnosti, dvije vrste slika koje su bile osobito popularne u nizozemskoj školi 17. stoljeća i među američkim umjetnicima 19. stoljeća. Ove su slike također inspirirale romantične slikare, poput Friedricha, impresioniste poput Moneta i Degasa i postimpresioniste, poput Gauguina i Van Gogha, a svi su zastupljeni u muzejskoj zbirci.Također se može pohvaliti važnim avangardnim djelima 20. stoljeća: fovizmom, ekspresionizmom, nadrealizmom, apstrakcijom i pop artom. Harlekin s ogledalom Picassa, Slika s tri mrlje br. 196 Kandinskog, San izazvan letom pčele oko nara sekundu prije buđenja Dalija, Pijetao Chagalla, Hotelska soba Hoppera i Žena u kadi Lichtensteina samo su neki od njih.Zbirka Thyssen-Bornemisza prostire se oko drugog kata, gdje se nalaze stari majstori do početka 19. stoljeća, a prvi je kat posvećen radu modernih majstora od impresionizma do 20. stoljeća.U prizemlju muzeja, s vlastitim ulazom na početku glavne dvorane, novi je postav od 180 djela iz zbirke Carmen Thyssen.Heinrich Thyssen-Bornemisza počeo je skupljati umjetnine 1920-ih. Iskoristivši vrijeme velike krize u Sjedinjenim Državama, kupovao je slike po prilično niskim cijenama.Zbog financijskih problema njihovi su vlasnici pristajali i na najnepovoljnije uvjete prodaje.