Muzej Thyssen-Bornemisza v palači Villahermos skupaj z muzejem Prado in umetniškim centrom kraljice Sofije sodi v tako imenovani umetniški trikotnik. Predstavlja slike iz zbirke barona Heinricha Thyssena-Bornemisze in njegovega sina Hansa Heinricha. Zbirka Thyssen-Bornemisza še posebej blesti na področjih, ki so v drugih španskih muzejih slabo zastopana. Slike iz obdobja Trecento (italijansko 14. stoletje), kot je Kristus in Samarijanka Duccia di Buoninsegna, in dela zgodnjenizozemskih umetnikov, kot je Diptih oznanjenja grisaille Jana Van Eycka, so najboljši primerki poznosrednjeveške umetnosti v muzeju. Muzej hrani tudi izvrstno zbirko portretov iz 15. stoletja, med njimi portret Giovanne Tornabuoni, ki ga je ustvaril Ghirlandaio, in portret mladega viteza v pokrajini, ki ga je ustvaril Carpaccio. Dela Dürerja, Caravaggia, Rubensa, Fransa Halsa in Canaletta nam pomagajo slediti poti evropske umetnosti med 16. in 18. stoletjem.
Obisk muzeja ponuja čudovito priložnost za preučevanje krajinske in žanrske umetnosti, dveh vrst slik, ki sta bili še posebej priljubljeni v nizozemski šoli 17. stoletja in med ameriškimi umetniki 19. stoletja. Te slike so navdihnile tudi romantične slikarje, kot je Friedrich, impresioniste, kot sta Monet in Degas, ter postimpresioniste, kot sta Gauguin in Van Gogh, ki so vsi zastopani v muzejski zbirki.
Ponuja tudi pomembna dela avantgarde 20. stoletja: fauvizem, ekspresionizem, nadrealizem, abstrakcijo in pop art. Med njimi so Picassov Harlekin z ogledalom, Kandinskega Slika s tremi pikami, št. 196, Dalíjev Sen, ki ga povzroči let čebele okoli granatnega jabolka sekundo pred prebujanjem, Chagallov Petelin, Hopperjeva Hotelska soba in Lichtensteinova Ženska v kopeli.
Zbirka Thyssen-Bornemisza se razprostira v drugem nadstropju, kjer so stari mojstri do začetka 19. stoletja, prvo nadstropje pa je namenjeno delom modernih mojstrov od impresionizma do 20. stoletja.
V pritličju muzeja z lastnim vhodom na začetku glavne dvorane je nova postavitev 180 del iz zbirke Carmen Thyssen.
Heinrich Thyssen-Bornemisza je začel zbirati umetniška dela v dvajsetih letih 20. stoletja. Izkoristil je obdobje velike krize v Združenih državah Amerike in kupoval slike po precej nizkih cenah. Zaradi finančnih težav so njihovi lastniki privolili tudi v najbolj neugodne prodajne pogoje.
