Das Museum Brandhorst wurde 2009 in direkter Nachbarschaft der Pinakotheken eröffnet und ergänzt das Kunstareal mit einer beeindruckenden Sammlung moderner und zeitgenössischer Kunst. Die Sammlung umfasst über 1000 Gemälde, Zeichnungen, Skulpturen, Fotografien und Medienarbeiten von wegweisenden Künstlern des 20. und 21. Jahrhunderts. Während Udo und Anette Brandhorst zunächst Werke der Klassischen Moderne (u.a. von Kasimir Malewitsch, Kurt Schwitters, Pablo Picasso) und der europäischen Nachkriegsmoderne (Joseph Beuys, Palermo, Sigmar Polke) sammelten, richtete sich ihr Interesse im Lauf der Jahre auf die Vereinigten Staaten: John Chamberlain, Dan Flavin, Bruce Nauman oder Richard Tuttle. Mit über 170 Arbeiten von Andy Warhol ist der Bestand des Pop Art Künstlers mit keiner anderen europäischen Sammlung vergleichbar. Weltweit einmalig ist auch der Schwerpunkt von über 100 Arbeiten des amerikanischen Ausnahmekünstlers Cy Twombly . Dass auch zeitgenössische Kunst zunehmend in den Blick des Sammlerinteresses rückte, belegen Arbeiten von Damien Hirst, Mike Kelley oder Isaac Julien.

Das markante Gebäude fällt durch seine mit ca. 36.000 Keramikstäben in 23 verschiedenen Farben verkleidete Fassade auf und ist damit ein echter Blickfang im lebendigen, von Museen, Universitäten und Galerien geprägten Kunstareal. Das Museum wurde von dem Berliner Architekturbüro Sauerbruch Hutton entworfen und zeigt Kunst auf drei Ausstellungsebenen: Mehrere Säle im Erdgeschoss sind dem Werk jeweils eines Künstlers (etwa Alex Katz und Eric Fischl) vorbehalten. Im Untergeschoss eröffnet sich von der skulptural freischwebenden Treppe ein Ausblick auf großformatige Werke von Andy Warhol und Damien Hirst; auch eine provokant kitschige Skulptur des Pop Art Künstlers Jeff Koons ist ein Anziehungspunkt. Daran anschließend befinden sich mehrere Räume, die für Sonderausstellungen und Präsentationen von Medienarbeiten genutzt werden. Das Obergeschoss ist dem Werk Cy Twomblys gewidmet: Neben dem zwölfteiligen Hauptwerk „Lepanto“ sind hier frühe Gemälde und Skulpturen sowie das überraschend expressive Spätwerk Twomblys zu sehen.
Mit der Eröffnung des Museums Brandhorst wurde die Sammlung von Udo und Anette Brandhorst als Dauerleihgabe in das Gebäude eingebracht. Neben den Kunstwerken verfügt die Stiftung über ein Kapital, dessen Erträge auch für die Zukunft den Ausbau der Sammlung sowie die Erforschung der Bestände sichern. Die wissenschaftliche und technische Betreuung des Museums liegt bei den Bayerischen Staatsgemäldesammlungen.