Los orígenes de la catedral de la Almudena pueden situarse en la pequeña iglesia de Santa María de la Almudena, de origen tardo medieval, que se emplazaba a pocos metros de la actual catedral. Durante siglos hubo intentos de dotar de mayor grandiosidad a la mencionada parroquia, intentos que fueron haciéndose más intensos con la progresiva importancia del imperio y de su capital. Según un informe de 1567:
"Por el bien universal de la villa y su tierra, importa y tiene gran necesidad que se haga en ella una iglesia catedral y cabeza de Obispado"
Informe de 1567.
Otra razón poderosa era la ausencia de obispado en Madrid la capital pertenecía a la archidiócesis de Toledo y el arzobispado de la ciudad imperial siempre se opuso a la segregación de la capital de la diócesis toledana. Así, se intentó ampliar y reformar la pequeña iglesia de Santa María hasta su desaparición en 1868, cuando finalmente se impuso la necesidad de construir una iglesia catedral que diera cabida al culto a la patrona de la ciudad. El día 4 de abril de 1883 el rey Alfonso XII puso la primera piedra del nuevo edificio, que sería la futura catedral de Madrid, en unos terrenos que, por mediación de la reina Mercedes, devota de la Virgen de la Almudena, son cedidos por el Patrimonio Real en 1879. Espaldarazo definitivo para la construcción sería la creación de la Diócesis de Madrid-Alcalá, mediante bula dada por León XIII. Mientras se construía la catedral, la antigua iglesia jesuítica del Colegio Imperial, que en aquel momento tenía la consideración de colegiata, bajo la advocación de san Isidro, pasó a ser el templo catedralicio de la nueva diócesis. En 1964, Casimiro Morcillo recibió el título de Arzobispo-obispo, pero dentro de la provincia metropolitana de Toledo. No sería hasta la muerte de éste, en 1971, cuando el Cardenal Tarancón abandonó la Sede de Toledo para ocupar la de Madrid-Alcalá, con rango de archidiócesis. Esta archidiócesis pasó a llamarse archidiócesis de Madrid en 1991, con la restauración de la diócesis de Alcalá de Henares.
El marqués de Cubas, a cargo del proyecto, reformó su proyecto inicial como iglesia parroquial proponiendo una imponente catedral neogótica siguiendo la moda imperante en Europa por influencia de Viollet-le-Duc. Los trabajos comenzaron por la cripta, construida en estilo neo-románico, con acceso por la Cuesta de la Vega y que no se abrió al culto hasta 1911, una vez concluida por Enrique María Repullés y Vargas. En esa misma época se levantaron los primeros pilares, pero los trabajos quedaron prácticamente abandonados hasta 1950, año en el que Fernando Chueca Goitia y Carlos Sidro ganan el concurso convocado para la terminación de las obras. El aspecto del templo cambiaría entonces, puesto que, aunque se mantenía el estilo gótico del proyecto primitivo para el interior de la catedral, el exterior sería ahora neoclásico, siendo éste el aspecto que mantiene actualmente: de esta forma, la catedral se integraría con el entorno, también neoclásico, del Palacio Real.
Las obras continuaron hasta su paralización en 1965, ante la falta de fondos y de apoyo del ayuntamiento. Transcurrieron casi veinte años hasta que, en 1984, se creó un patronato que consiguió el apoyo de instituciones públicas (que incluían el ayuntamiento y el Gobierno de España, ambos en manos de políticos de izquierda) y privadas para finalizar las obras. La catedral fue consagrada por el papa Juan Pablo II el 15 de junio de 1993, tomando el relevo de la colegiata de San Isidro, que había sido la catedral provisional de Madrid desde 1885.1
El 22 de mayo de 2004 fue escenario de la boda del príncipe de Asturias, Felipe de Borbón con Letizia Ortiz, siendo ésta la primera boda en celebrarse en la historia de la catedral.
En 2005 se inauguró una exposición sobre la Inmaculada y España, organizada por la Fundación Las Edades del Hombre.
El 20 de agosto de 2011, el papa Benedicto XVI presidió una misa con seminaristas en la catedral, dentro de los actos programados en la XXVI Jornada Mundial de la Juventud.
