A Villahermos-palotában található Thyssen-Bornemisza Múzeum a Prado Múzeummal és a Szófia Királynő Művészeti Központtal együtt az úgynevezett művészeti háromszöghöz tartozik. Heinrich Thyssen-Bornemisza báró és fia, Hans Heinrich Thyssen-Bornemisza gyűjteményéből származó festményeket mutat be. A Thyssen-Bornemisza gyűjteménye különösen azokon a területeken ragyog, amelyek más spanyol múzeumokban alulreprezentáltak. A Trecento (olasz 14. század) festményei, mint például Duccio di Buoninsegna Krisztus és a szamaritánus asszonya, valamint a korai holland művészek alkotásai, mint Jan Van Eyck Annunciation Diptychon grisaille című műve, a múzeum legjobb példái a késő középkori művészetnek. A múzeum 15. századi portrék kitűnő gyűjteményének is otthont ad, köztük Ghirlandaio Giovanna Tornabuoni portréjának és Carpaccio Fiatal lovag egy tájképben című alkotásának. Dürer, Caravaggio, Rubens, Frans Hals és Canaletto művei segítenek nyomon követni az európai művészet 16-18. század közötti fejlődését.
A múzeum látogatása csodálatos lehetőséget kínál a tájkép- és a zsánerfestészet tanulmányozására, két olyan festménytípusra, amelyek különösen népszerűek voltak a 17. századi holland iskolában és a 19. századi amerikai művészek körében. Ezek a festmények olyan romantikus festőket, mint Friedrich, impresszionistákat, mint Monet és Degas, és posztimpresszionistákat, mint Gauguin és Van Gogh is megihlették, akik mindannyian képviseltetik magukat a múzeum gyűjteményében.
A 20. század fontos avantgárd alkotásaival is büszkélkedhet: fauvizmus, expresszionizmus, szürrealizmus, absztrakció és pop art. Picasso Harlekin tükörrel, Kandinsky 196. számú Három pöttyös kép, Dali Gránátalma körüli méhrepülés okozta álom egy másodperccel ébredés előtt, Chagall A kakas, Hopper Hotelszoba és Lichtenstein Nő a fürdőben című művei közül néhány.
A Thyssen-Bornemisza gyűjteménye a második emeleten terül el, ahol a 19. század elejéig a régi mesterek találhatók, az első emeleten pedig a modern mesterek munkái az impresszionizmustól a 20. századig.
A múzeum földszintjén, amelynek saját bejárata a nagyterem elején található, a Carmen Thyssen-gyűjtemény 180 művéből álló új installáció kapott helyet.
Heinrich Thyssen-Bornemisza az 1920-as években kezdett műtárgyakat gyűjteni. Kihasználva a nagy amerikai válság időszakát, meglehetősen alacsony áron vásárolt festményeket. A pénzügyi problémák miatt tulajdonosaik még a legkedvezőtlenebb értékesítési feltételekbe is belementek.
