Aussi remarquable que cela puisse paraître, le retard pris jusqu'à une époque aussi récente dans la construction d'une cathédrale dans la capitale peut être attribué en grande partie au fait que Madrid faisait partie de l'archidiocèse de Tolède, qui était réticent à l'abandonner.
Les plans de construction ont toutefois progressé lorsque le pape Léon XIII a séparé la capitale de Tolède lors de la création du diocèse de Madrid-Alcalá. Jusqu'à l'achèvement de l'édifice actuel, la cathédrale était temporairement hébergée dans l'église du collège jésuite de San Isidro. Alumeda a finalement été consacrée en 1993 par le pape Jean-Paul II, et reste la seule cathédrale espagnole à avoir été consacrée par un pape.
La cathédrale est consacrée à Santa Maria de la Almudena, un nom qui a des origines arabes : al mudayna, signifie "le château". Selon la légende, au VIIIe siècle, lorsque les Maures ont envahi la forteresse où se trouve aujourd'hui Madrid, les habitants ont caché une image de la Vierge dans les murs de la ville, et ce n'est que lors de la reconquête de la ville au XVe siècle qu'un mur s'est effondré pour révéler à nouveau sa présence. Certaines versions suggèrent que le légendaire el Cid aurait trouvé l'image dans le mur et que la Vierge l'aurait aidé à reprendre la ville.
Le bâtiment est un mélange de styles avec un extérieur néoclassique, un intérieur néo-gothique et une crypte néo-romane. Il est construit en granit et en marbre, avec une grande coupole néoclassique et deux tours à l'entrée principale. La Catedral de Santa María la Real de la Almudena se trouve à côté du Palacio Real, dont elle est séparée par une grande place, la Plaza de la Armería.
Fait inhabituel pour une église, elle n'est pas orientée est et ouest, mais nord et sud, car elle a été conçue à l'origine comme une partie intégrante du complexe du palais royal. Une deuxième entrée, dans la Calle Bailén, possède d'impressionnantes portes en bronze du sculpteur Sanguino, représentant la découverte de l'image de la Vierge.