El 22 de diciembre de 1868 se solicitó el primer permiso para construir en Madrid una iglesia dedicada a Nuestra Señora de la Almudena, en plena Revolución de ese año. Gracias a la intercesión de la reina María de las Mercedes, en 1879 se cedieron terrenos del Palacio Real para la construcción del templo, cuya primera piedra fue colocada por Alfonso XII en abril de 1883.
La construcción fue encargada al arquitecto Francisco de Cubas y Montes, conocido como el Marqués de Cuba. En 1885, cuando Madrid fue reconocida como diócesis por el Papa León XIII, la iglesia fue elevada al rango de catedral. El diseño original, de estilo neogótico, fue sólo uno de los muchos proyectos que se llevaron a cabo a lo largo del tiempo, incluyendo las aportaciones de arquitectos como Miguel Olabaria, Enrique Repules y Vargas y Juan Moya.
Las obras avanzaron muy lentamente y se vieron afectadas por la guerra civil. En 1944, el Director General de Bellas Artes, Marqués Lozoya, convocó un concurso nacional para una nueva solución arquitectónica, que fue adjudicado a los arquitectos Fernando Chueca Goitia y Carlos Sidro de la Puerta. Entre los cambios más significativos está la reducción de la altura del edificio para armonizarlo con el Palacio Real.
A partir de la década de 1950, las cosas se pusieron difíciles. Se iniciaron en la zona cercana a la calle Bailén, pero sufrieron interrupciones hasta 1984, cuando el Cardenal Ángel Suquia impulsó el mecenazgo para finalizar la obra, involucrando al Ayuntamiento, la Comunidad, Caja Madrid, la Cámara de Comercio y la Asociación de la Prensa.
En los años siguientes se llevaron a cabo importantes obras, entre ellas el pavimento del templo con mármol de Almería en colores crema y verde, la organización de un presbiterio, la creación del altar de la Virgen de la Almudena y la instalación de calefacción, iluminación y sistemas de sonido.
La Catedral de la Almudena fue consagrada 110 años después del inicio de su construcción por el Papa San Juan Pablo II el 15 de junio de 1993. Sin embargo, las obras continuaron durante varios años más. En la cripta de la catedral se encuentran las tumbas de los arquitectos que iniciaron y terminaron el monumento, el Marqués de Cuba y Goitia de Chueca, además del contenido de un fresco de la Virgen más antigua de Madrid, la Virgen de la Flor de Lis, descubierto en 1623 y data del siglo XII o XIII.
Durante muchos años, la catedral pasó por diferentes fases. En la década de 1980 quedó abandonado y sirvió de refugio a delincuentes y drogadictos. En 1983, la prensa protestó por el estado de abandono y la falta de avance de las obras, que permanecían en ruinas desde 1976.
Finalmente, en 1993 se puso en marcha una suscripción popular para recaudar fondos para el acondicionamiento interior del templo, recaudando 104 millones de pesetas en un mes. Este esfuerzo fue clave para la finalización de la catedral con la ayuda de la comunidad y la orientación del arquitecto Fernando Chueca Goitia, quien introdujo numerosos cambios respecto al proyecto original, pasando de un estilo neogótico a uno más sencillo y sobrio. uno e incorporando innovaciones técnicas como el uso de elementos prefabricados de hormigón.
En 1999, el cardenal Ruco Varela bendijo las campanas de la catedral, donadas por un grupo de gallegos y fundidas en bronce en Pontevedra. Cada campana está dedicada a una de las vírgenes más queridas de Madrid: La Almudena, La Paloma, Nuestra Señora de Atocha y Santa María de la Flor de Lis.
La última obra significativa de la catedral se completó en 2004 con la decoración del ábside a cargo de Kiko Arguello, apenas 25 días antes de la boda del príncipe Felipe y Leticia Ortiz. La obra incluye vidrieras de Murano de estilo abstracto y bizantino, lo que ha generado opiniones divididas entre críticos y académicos.
