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 los 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 solo uno de los muchos proyectos que se han sucedido a lo largo del tiempo, incluyendo contribuciones de arquitectos como Miguel Olabarría, Enrique Repullés y Vargas y Juan Moya.
Las obras avanzan con extrema lentitud y están influenciadas por la guerra civil. En 1944, el director general de Bellas Artes, Marqués de Lozoya, organizó un concurso nacional para una nueva solución arquitectónica, que fue encargado por 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 dificultad. Se inició en la zona cercana a la calle Bailén, pero se interrumpió hasta 1984, cuando el cardenal Ángel Suquía promovió un mecenazgo para finalizar la obra, en el que participaron el Ayuntamiento, la Comunidad, la 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 suelo del templo en 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 megafonía. .
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. A pesar del embargo, las obras continuaron durante varios años y más. La cripta de la catedral alberga las tumbas de los arquitectos que iniciaron y finalizaron el monumento, el Marqués de Cuba y Goitia de Chueca, también contiene una imagen mural de la Virgen más antigua de Madrid, la Virgen de la Flor de Lis, decubierta en 1623 y fechada del siglo XII o XIII.
A lo largo de muchos años, la catedral ha pasado por varias fases. En la década de 1980 se encontró en estado de abandono 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 recuperar fondos para la climatización interior del templo, recaudando 104 millones de pesetas en un mes. Este esfuerzo fue fundamental 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. uno e incorporando técnicas innovadoras. como el uso de elementos prefabricados de madera.
En 1999, el cardenal Rouco Varela bendijo las campanas de la catedral, donadas por un grupo de gallegos y fondos en bronce de Pontevedra. Cada campana está dedicada a una de las vírgenes más consultadas 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. La obra incluía vitrinas de Murano de estilo abstracto y bizantino, que generaron opiniones divididas entre críticos y académicos.