El Palacio de Carlos V alberga en su interior dos museos: el Museo de la Alhambra y el Museo de Bellas Artes de Granada.

El Museo de la Alhambra ocupa el ala sur de la planta baja del Palacio de Carlos V, se distribuye en siete salas, la primera de contenido temático y las restantes ordenadas cronológicamente.

El Museo de Bellas Artes de Granada consta de dos sedes: 
- Sede expositiva. Situada en la planta primera del Palacio de Carlos V, en ella se ubican los distintos espacios expositivos destinados a exposición permanente y a exposiciones temporales.
- Sede administrativa. Localizada  en el módulo dos de los Nuevos Museos, aglutina áreas funcionales como dirección, administración y técnicos, así como el resto de dependencias: áreas de reserva, taller de restauración, archivo y biblioteca.

El proyecto original se debe a Pedro Machuca, que dirige las obras entre 1533 y 1550, fecha de su muerte, dejando terminadas las fachadas excepto las portadas de poniente y mediodía. Le sucede su hijo Luis que realiza el patio circular, quedando suspendidas las obras durante 15 años por la rebelión de los moriscos de Granada en 1568.En 1619 se completa la columnata alta del patio y continúan las obras hasta su abandono en 1637, sin cubrir de aguas el edificio.  El Palacio quedó inconcluso hasta que en 1923 Leopoldo Torres Balbás inicia un programa de recuperación del mismo con destino a museo, que culminará el arquitecto Francisco Prieto Moreno en 1958.