[2] Álvarez Lopera apunta que es en 1987 cuando decide lanzarse al coleccionismo a gran escala.
Ya antes del acuerdo Carmen había dado prioridad a las obras de arte, renunciando según relataría a joyas y otros bienes para obtener piezas artísticas en manos de otros herederos.
Así, pinturas adquiridas por ella a precios razonables en la década de 1990 vieron dispararse su estimación apenas diez años después.
El propósito real de la ampliación era fusionar en una sola ordenación ambas colecciones, la Thyssen clásica y la nueva de la baronesa; pero la hijastra de Carmen Cervera, Francesca Thyssen-Bornemisza, miembro del Patronato del museo, se opuso y se optó por una solución intermedia: exhibir las colecciones separadas, y dejar para más adelante su posible fusión.
La Colección Carmen Thyssen-Bornemisza no es tan sólida ni variada como la Thyssen histórica, si bien incluye piezas de épocas muy dispares que refuerzan notablemente esta última al exhibirse conjuntamente.
[8] Entre las piezas más antiguas e importantes, destaca la tabla San Pedro de Simone Martini, único ejemplo de dicho autor en España y acaso el último que subsiste en manos privadas en todo el mundo.
El núcleo más sólido de la colección se inicia hacia 1600, con Niccolò Frangipane (El Nazareno), Jan Brueghel el Viejo (El jardín del Edén), Tobias Verhaecht (Paisaje montañoso con Venus y Adonis), Carlo Saraceni (Venus y Marte), Luca Giordano (El juicio de Salomón), Andrea Locatelli, Giuseppe Maria Crespi, Louise Moillon, Van Dyck (Cristo crucificado), Bernardo Cavallino, Giovanni Francesco Romanelli, Salvator Rosa (Paisaje con ruina, puerto y soldados), Jean-Baptiste Monnoyer (tres bodegones), Abraham Bloemaert (Huida a Egipto), Pieter de Hooch, Jan Steen, paisajes de Jan van Goyen, Aert van der Neer, Philips Koninck y Karel Du Jardin...
Tras mencionarse durante años como perteneciente a Carmen Thyssen, en la exposición temporal Lágrimas de Eros (2009) esta escultura fue catalogada como prestada por Omicron Collections Ltd, sociedad radicada en el extranjero que consta como perteneciente a la misma baronesa; pero en diciembre de 2021 el director artístico del museo madrileño, Guillermo Solana, mencionó este mármol como «perteneciente a un hijo del barón».
Se incluyen ejemplos de: John Singer Sargent, Maurice Prendergast, Winslow Homer, Thomas Birch, Martin Johnson Heade, George Inness, John George Brown (nueve pinturas), Frederic Erwin Church, Albert Bierstadt, William Merritt Chase, Childe Hassam... Salvo los tres primeros, son artistas apenas conocidos por el público europeo no iniciado, aunque han cobrado gran estima en las subastas y algunos ya escasean en el mercado.
El repertorio del siglo XX es más bien desigual y se detiene (al menos en su parte conocida) a mediados de siglo, aunque es generoso en artistas extranjeros muy cotizados, sobre todo de las tres primeras décadas.
Cuenta además con Juan Gris (Mujer sentada), Joan Miró, ejemplos fauvistas de Georges Braque (Marina.
Pertenecen a un lote de siete encargado directamente al artista por el patriarca August Thyssen hacia 1906-1911.
Otros autores extranjeros representados son: Kandinsky (con dos paisajes urbanos aún figurativos), James Ensor (Jardin d'Amour), Edvard Munch, Robert Delaunay (La gran portuguesa), Raoul Dufy, Maurice de Vlaminck, Kees van Dongen, Fernand Léger, Frantisek Kupka, Lyonel Feininger, Jean Metzinger, Willi Baumeister, Joaquín Torres García (ocho obras), Tsuguharu Foujita, Diego Rivera (Retrato de mujer), Paul Delvaux, Wifredo Lam, Giorgio Morandi, Georgia O'Keeffe, Edward Hopper (El velero Martha McKeen), Reginald Marsh, Walt Kuhn (Chico con chistera, 1948), Richard Lindner, Tom Wesselmann, Richard Estes, Michael Andrews (Vista de la mansión Daylesford), Victor Vasarely, Zoran Music y Julian Opie.
Llama especialmente la atención una estatuilla azul de Yves Klein: Esclavo agonizante, copiando a Miguel Ángel.
El repertorio español del siglo XX avanzado incluye a José Gutiérrez Solana, Olga Sacharoff, Pere Pruna, Celso Lagar, Benjamín Palencia, Pancho Cossío, Francisco Bores, Menchu Gal... así como un amplio conjunto de retratos encargados por los barones Thyssen a Ricardo Macarrón.
En 2016 se abrió una pequeña subsede de la colección en Andorra, principado donde la baronesa ha establecido su residencia habitual.