Las obras de arte que se presentan en este Museo han sido reunidas por la familia Thyssen- Bornemisza a lo largo de dos generaciones. La Colección, iniciada en la segunda década de nuestro siglo por el Barón Heinrich, fue considerablemente ampliada por su hijo Hans Heinrich, actual Barón Thyssen-Bornermisza. En 1988 el Gobierno español llegó a un acuerdo de préstamo con la familia Thyssen-Bornemisza para que la Colección, formada por 775 cuadros, pudiera ser expuesta al público en España durante un periodo de nueve años y medio. Terminadas las obras de acondicionamiento del Palacio de Villahermosa destinado a ser su sede, el Museo Thyssen-Bornemisza abrió sus puertas al público el 10 de octubre de 1992. Pocos meses después, el 21 de junio de 1993, el acuerdo de préstamo fue sustituido por un contrato de adquisición por el que la Colección pasó a integrarse de manera definitiva en el Patrimonio Histórico español. Aunque una selección formada por 60 cuadros se presentan al público en el Monasterio de Pedralbes de Barcelona, las 715 pinturas restantes se exponen en Madrid en el Palacio de Villahermosa.

El Palacio de Villahermosa, construido entre finales del siglo XVIII y comienzos del XIX, es un buen ejemplo de la arquitectura neoclásica madrileña. El edificio ha sido acondicionado por el arquitecto Rafael Moneo para adaptarlo a sus nuevas funciones museísticas, dándole un nuevo esquema de circulación y distribución de espacios. Las salas, dispuestas en torno a un largo patio central cubierto, son de dimensiones variadas, alineándose las mayores perpendicularmente a la fachada del Paseo del Prado. El resultado es una arquitectura interior que, aunque de ningún modo renuncia a su condición moderna, evoca el carácter palaciego y la planta típica de los museos y galerías de pintura de la arquitectura clasicista.

En el primer sótano se encuentran las salas de exposiciones temporales, la cafetería y el salón de actos. En la planta baja, además del gran patio central cubierto, se encuentra el vestíbulo, la tienda-librería y el guardarropa. El resto de esta planta, así como la práctica totalidad de las otras dos del edificio, se destinan a exponer la Colección Permanente.

La Colección se ha instalado siguiendo un criterio cronológico e histórico. La menor altura de sus muros y la posibilidad de iluminarla cenitalmente con luz natural han aconsejado situar en la segunda planta las pinturas más antiguas. El visitante que desee ver la Colección por orden histórico deberá pues cruzar el patio central y subir por los ascensores o por la escalera principal hasta esa planta. El orden de numeración de las salas indica el recorrido sugerido, que se hace girando siempre por la izquierda en torno al patio central y bajando a la inferior una vez concluida la visita a cada una de las plantas. En la instalación se ha procurado dar a las salas la máxima unidad estilística posible; respondiendo, cada una de ellas a un capítulo de la historia del arte.