Per quanto possa apparire notevole, il ritardo fino a tempi così recenti nella costruzione di una cattedrale nella capitale può essere in gran parte attribuito al fatto che Madrid faceva parte dell'arcidiocesi di Toledo, che era riluttante a cederla.
I piani per la costruzione furono tuttavia portati avanti quando Papa Leone XIII separò la capitale da Toledo con la creazione della Diocesi di Madrid-Alcalá. Fino al completamento dell'attuale edificio, la Cattedrale fu temporaneamente ospitata nella chiesa del Collegio dei Gesuiti di San Isidro. Alumeda è stata infine consacrata nel 1993 da Papa Giovanni Paolo II e rimane l'unica cattedrale spagnola ad essere stata consacrata da un Papa.
La cattedrale è consacrata a Santa Maria de la Almudena, un nome che ha origini arabe: al mudayna, infatti, significa "il castello". La leggenda narra che nell'VIII secolo, quando i Mori invasero la fortezza dove oggi sorge Madrid, la popolazione nascose un'immagine della Vergine tra le mura della città, e solo quando la città fu riconquistata nel XV secolo un muro si sgretolò per rivelare nuovamente la sua presenza. Secondo alcune versioni, il leggendario el Cid trovò l'immagine nelle mura e la Vergine lo aiutò a riconquistare la città.
L'edificio è un misto di stili con un esterno neoclassico, un interno in stile gotico e una cripta neoromanica. È costruito in granito e marmo, con una grande cupola neoclassica e due torri all'ingresso principale. La Catedral de Santa María la Real de la Almudena si trova accanto al Palacio Real, separata da un'ampia piazza, la Plaza de la Armería.
Inusualmente per una chiesa, non è orientata a est e a ovest, ma a nord e a sud, in quanto originariamente concepita come parte integrante del complesso del Palazzo Reale. Un secondo ingresso, in Calle Bailén, presenta imponenti porte in bronzo dello scultore Sanguino, raffiguranti il ritrovamento dell'immagine della Vergine.
