El 22 de diciembre de 1868 se solicitó el primer permiso para construir en Madrid una iglesia dedicada a la Virgen 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 Cubas. 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 triunfaron a lo largo del tiempo, incluyendo las aportaciones de arquitectos como Miguel Olabarría, Enrique Repullés y Vargas y Juan Moya.
Las obras avanzaron de manera extremadamente lenta y se vieron afectadas por la guerra civil. En 1944, el director general de Bellas Artes, marqués de 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 estuvo la reducción de la altura del edificio para armonizarlo con el Palacio Real.
A partir de la década de 1950, las obras avanzaron con dificultades. Se iniciaron en la zona cercana a la calle Bailén, pero sufrieron interrupciones hasta 1984, cuando el cardenal Ángel Suquía impulsó un mecenazgo para finalizar las obras, en el que participaron el Ayuntamiento, la Comunidad, Caja Madrid, la Cámara de Comercio y la Asociación de la Prensa.
Durante los años siguientes, se realizaron importantes trabajos, entre los que destacan el pavimento del templo con mármol de Almería en colores crema y verde, la organización del presbiterio, la creación del altar de la Virgen de la Almudena y la instalación de calefacción. Iluminación y megáfono.
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. La cripta de la catedral alberga las tumbas de los arquitectos que iniciaron y finalizaron el monumento, el Marqués de Cubas y Chueca Goitia, además de contener una imagen mural de la Virgen más antigua de Madrid, la Virgen de la Flor de Lis, descubierta en 1623 y fecha del siglo XII o XIII.
Durante muchos años, la catedral pasó por diferentes fases. En los años 80 se encontró en estado de abandono y sirvió de refugio a delincuentes y drogadictos. En 1983, la prensa protestó por la situación de abandono y la falta de avance de las obras, que permanecían en ruinas desde 1976.
Finalmente, en 1993 se lanzó una suscripción pública para recaudar fondos para la renovación 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 dirección del arquitecto Fernando Chueca Goitia, quien introdujo numerosos cambios respecto al proyecto original, pasando del estilo neogótico a uno más sencillo y sobrio, e incorporando innovaciones técnicas como el uso de elementos prefabricados de hormigón.
En 1999, el cardenal Rouco 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, la Virgen 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, realizada por Kiko Argüello, apenas 25 días antes de la boda del príncipe Felipe y Letizia Ortiz. El trabajo incluyó vitrales de Murano de estilo abstracto y bizantino, que generaron opiniones divididas entre los críticos y académicos.