Múzeum Thyssen-Bornemisza v paláci Villahermos patrí spolu s múzeom Prado a umeleckým centrom kráľovnej Sofie do takzvaného umeleckého trojuholníka. Prezentuje obrazy zo zbierky baróna Heinricha Thyssena-Bornemiszu a jeho syna Hansa Heinricha. Zbierka Thyssen-Bornemisza žiari najmä v oblastiach, ktoré sú v iných španielskych múzeách zastúpené nedostatočne. Obrazy z obdobia Trecenta (talianske 14. storočie), ako napríklad Kristus a Samaritánka od Duccia di Buoninsegna, a diela ranonizozemských umelcov, ako napríklad Diptych Zvestovanie grisaille od Jana Van Eycka, sú najlepšími príkladmi neskorostredovekého umenia v múzeu. V múzeu sa nachádza aj nádherná zbierka portrétov z 15. storočia vrátane portrétu Giovanny Tornabuoni od Ghirlandaia a portrétu Mladý rytier v krajine od Carpaccia. Diela Dürera, Caravaggia, Rubensa, Fransa Halsa a Canaletta nám pomáhajú sledovať vývoj európskeho umenia v 16. až 18. storočí.
Návšteva múzea ponúka skvelú príležitosť študovať krajinomaľbu aj žánrové umenie, dva typy malieb, ktoré boli mimoriadne obľúbené v holandskej škole 17. storočia a medzi americkými umelcami 19. storočia. Tieto obrazy inšpirovali aj romantických maliarov, ako bol Friedrich, impresionistov, ako boli Monet a Degas, a postimpresionistov, ako boli Gauguin a Van Gogh, ktorí sú zastúpení v zbierke múzea.
Pýši sa aj významnými dielami avantgardy 20. storočia: fauvizmu, expresionizmu, surrealizmu, abstrakcie a pop artu. Harlekýn so zrkadlom od Picassa, Obraz s tromi škvrnami č. 196 od Kandinského, Sen spôsobený letom včely okolo granátového jablka sekundu pred prebudením od Dalího, Kohút od Chagalla, Hotelová izba od Hoppera a Žena vo vani od Lichtensteina sú niektoré z nich.
Zbierka Thyssen-Bornemisza sa rozprestiera na druhom poschodí, kde sa nachádzajú starí majstri do začiatku 19. storočia, a prvé poschodie je venované dielam moderných majstrov od impresionizmu po 20. storočie.
Na prízemí múzea s vlastným vchodom na začiatku hlavnej haly sa nachádza nová inštalácia 180 diel zo zbierky Carmen Thyssenovej.
Heinrich Thyssen-Bornemisza začal zbierať umelecké diela v 20. rokoch 20. storočia. Využil obdobie veľkej krízy v Spojených štátoch a nakupoval obrazy za pomerne nízke ceny. Vzhľadom na finančné problémy ich majitelia súhlasili aj s tými najnevýhodnejšími podmienkami predaja.