Cuando la capital de España fue trasladada desde Toledo a Madrid en 1561, la sede de la Iglesia en España se mantuvo en Toledo; por lo que la nuevs capital no tenía catedral. Se discutieron los planes ya en el siglo 16 para construir una catedral en Madrid dedicada a la Virgen de la Almudena, pero la construcción no comenzó hasta 1879.
La catedral parece haber sido construida en el sitio de una mezquita medieval que fue destruida en 1085 cuando Alfonso VI conquistó Madrid.
Francisco de Cubas, el Marqués de Cubas, diseñó y dirigió la construcción en un estilo neogótico. La construcción cesó por completo durante la Guerra Civil Española, y el proyecto fue abandonado hasta 1950, cuando Fernando Chueca Goitia adaptado los planes de de Cubas a un exterior barroco para que coincida con la fachada gris y blanco del Palacio Real, que se encuentra justo enfrente. La catedral no se completó hasta 1993, cuando fue consagrada por el Papa Juan Pablo II. El 22 de mayo de 2004, el matrimonio de Felipe, Príncipe de Asturias de Doña Letizia Ortiz Rocasolano se llevó a cabo en la Catedral de la Almudena.
El interior neogótico es singularmente moderna, con capillas y estatuas de artistas contemporáneos, en los estilos heterogeneos, desde avivamientos históricos para la decoración de “pop-art”.
La cripta de estilo neorrománico, alberga una imagen del siglo 16 de la Virgen de la Almudena. Cerca de las excavaciones a lo largo de la Calle Mayor han desenterrado restos de mora y las paredes medievales de la ciudad.
El 28 de abril de 2004, el cardenal Antonio María Rouco Varela, arzobispo de Madrid bendijo las nuevas pinturas en el ábside, pintado por Kiko Argüello, fundador del Camino Neocatecumenal. La catedral es la sede del Patriarca de las Indias y el Mar Océano, un patriarcado honorífico creado en el siglo XVI, y posteriormente un título honorífico de capellán de la corte española.
