Instalado no neoclássico Palácio de Villahermosa o museu guarda mais de mil obras de arte principalmente os primitivos italianos, a pintura americana do século 19, o impressionismo, o expressionismo alemão e o construtivismo russo. Artistas como Picasso, Rubens, Van Gogh, Klee, Dürer, Caravaggio, Van Eyck e Constable estão muito bem representados no museu. Originalmente o acervo pertencia a uma família de industriais teuto-húngaros, até que, em 1993, os barões Thyssen-Bornemisza fizeram um acordo com o governo espanhol que garantiu a posse definitiva ao país.
Em 2004, uma nova ala foi inaugurada para receber o acervo de pinturas europeias da baronesa Carmen.