Muzeum Thyssen-Bornemisza v paláci Villahermos patří spolu s muzeem Prado a uměleckým centrem královny Sofie do takzvaného uměleckého trojúhelníku. Představuje obrazy ze sbírky barona Heinricha Thyssena-Bornemiszy a jeho syna Hanse Heinricha. Sbírka Thyssen-Bornemisza září zejména v oblastech, které jsou v jiných španělských muzeích zastoupeny nedostatečně. Obrazy z období Trecenta (italské 14. století), jako je Kristus a Samaritánka od Duccia di Buoninsegna, a díla raně nizozemských umělců, jako je Zvěstování Diptych grisaille od Jana Van Eycka, jsou nejlepšími ukázkami pozdně středověkého umění v muzeu. V muzeu se nachází také vynikající sbírka portrétů z 15. století, včetně portrétu Giovanny Tornabuoni od Ghirlandaia a portrétu Mladý rytíř v krajině od Carpaccia. Díla Dürera, Caravaggia, Rubense, Franse Halse a Canaletta nám pomáhají sledovat vývoj evropského umění mezi 16. a 18. stoletím.
Návštěva muzea nabízí skvělou příležitost ke studiu krajinomalby i žánrového umění, dvou typů maleb, které byly obzvláště oblíbené v holandské škole 17. století a mezi americkými umělci 19. století. Tyto obrazy inspirovaly také romantické malíře, jako byl Friedrich, impresionisty, jako byli Monet a Degas, a postimpresionisty, jako byli Gauguin a Van Gogh, kteří jsou ve sbírkách muzea zastoupeni.
Pyšní se také významnými díly avantgardy 20. století: fauvismu, expresionismu, surrealismu, abstrakce a pop artu. Harlekýn se zrcadlem od Picassa, Obraz se třemi skvrnami č. 196 od Kandinského, Sen způsobený letem včely kolem granátového jablka vteřinu před probuzením od Dalího, Kohout od Chagalla, Hotelový pokoj od Hoppera a Žena ve vaně od Lichtensteina jsou některá z nich.
Sbírka Thyssen-Bornemisza se rozkládá ve druhém patře, kde se nacházejí díla starých mistrů do počátku 19. století, a první patro je věnováno tvorbě moderních mistrů od impresionismu po 20. století.
V přízemí muzea s vlastním vchodem na začátku hlavního sálu je umístěna nová instalace 180 děl ze sbírky Carmen Thyssenové.
Heinrich Thyssen-Bornemisza začal sbírat umělecká díla ve 20. letech 20. století. Využil období velké krize ve Spojených státech a nakupoval obrazy za poměrně nízké ceny. Vzhledem k finančním problémům jejich majitelé souhlasili i s těmi nejnepříznivějšími podmínkami prodeje.