Arquitectónicamente pueden diferenciarse dos construcciones en la Catedral de la Almudena, la parte inferior que constituye la cripta y, por encima, la catedral.

Este edificio, con decoración predominantemente barroca, está asentado sobre el lugar ocupado anteriormente por la muralla árabe.

A principios del siglo XVI, el Papa León X promulga una bula por la que autoriza la construcción en Madrid de una catedral, para el culto a la Virgen de la Almudena.

Pero al poco tiempo de colocar la primera piedra, en 1623, la construcción queda paralizada hasta 1879, año en el que el Marqués de Cubas retoma el proyecto.

Alfonso XII fue el verdadero impulsor del proyecto tras la muerte de su primera esposa, María de las Mercedes. Al fallecer ésta sin descendencia, no podía ser enterrada en el panteón del Real Monasterio de El Escorial.

Así, Alfonso XII promovió la construcción de la Catedral de la Almudena, con el fin de que sirviera de sepulcro para su esposa.

El 4 de abril de 1883 se inicia la construcción de la nueva Catedral de la Almudena, bajo la dirección del arquitecto Francisco de Cadas (1826-1899). Fue sustituido a su muerte por Miguel de Olavaria y posteriormente por Enrique Repullés y Vargas. En 1911 se abre al culto la cripta. Desde esta fecha, las obras avanzan lentamente, con dificultades y con cambios de arquitectos. En 1922, Juan Moya continúa las obras y, posteriormente, Luis Mosteiro.

En 1936 se produjo nuevamente la paralización de las obras. En 1944 se convocó un concurso nacional para impulsar la continuación de las mismas, que ganaron los arquitectos Fernando Chueca Goitia y Carlos Sidro. Hacia 1950 construyeron el claustro y posteriormente la fachada principal, de órdenes superpuestos entre dos torres. En 1965 se vuelven a parar las obras por falta de fondos económicos, hasta que en 1984 se vuelven a reiniciar y finalizan, de tal forma que la catedral fue consagrada por el Papa Juan Pablo II el 15 de junio de 1993. Desde esta fecha se han seguido realizando actuaciones, como la colocación de las estatuas esculpidas por Ramón Chaparro, José Luis Parés, Juan de Ávalos y Consuelo Perea, y de las campanas y puertas de bronce realizadas por el escultor Sanguino.

Las dimensiones de la catedral son:

• Longitud total: 102 metros.
• Longitud de la nave central: 82 m.
• Longitud del crucero: 68 m.
• Ancho de la nave principal: 12,5 m.
• Altura de la cúpula hasta la cruz: 73 m.
• Superficie total: 4.800 m2.

La Cripta de la Almudena está construida con tres nuevos materiales, esto es, que no eran tradicionales hasta entonces en Madrid. La construcción de nuevas vías de transporte, principalmente el ferrocarril, permite la entrada de estos materiales a un precio competitivo con la piedra tradicional de Madrid. Además, ya en el proyecto del Marqués de Cubas se primaba la utilización de nuevos materiales, como seña diferenciadora del Madrid de finales del siglo XIX.

Los primeros sillares del zócalo y de las basas de las columnas están configuradas con una piedra dolomítica (dolomicrita), procedente de Baides (Guadalajara). La zona de la fachada que presenta tonos blancos con vetas rosadas, está construida con calizas micríticas veteadas del Jurásico procedentes del Maciço Calcário Estremenho (Portugal), actualmente en explotación. La parte más ornamental de la portada está realizada con una caliza oolítica, procedente igualmente de Portugal y también empleada en la construcción del Monasterio de Batalha (Portugal).

La catedral se continuó a partir de 1911 con la denominada Piedra de Novelda (Alicante). Esta piedra es una caliza que se clasifica como biocalcarenita, al estar formada por una acumulación de restos de fósiles (foraminíferos, moluscos, briozoos, etc.) y presenta un tono crema. En la zona de balaustrada se utilizó piedra procedente de Colmenar de Oreja (Piedra de Colmenar). Chueca Goitia finaliza la cúpula con Piedra de Bateig (Alicante), similar a la Piedra de Novelda al proceder de la misma formación geológica y de las mismas áreas de extracción. La cubierta está construida con pizarra procedente de la cantera de Valdemiguel, en Carballeda (Orense).

La portada principal con sus dos torres es de granito, en donde resalta la presencia de gabarros de gran tamaño, procediendo posiblemente la piedra de canteras localizada en la zona de Zarzalejo (Madrid). La portada hacia la calle Bailén muestra por el contrario una menor cantidad de gabarros, siendo el granito de tono más blanco. Ambas fachadas presentan cornisas, basas y capiteles de columnas y ornamentación en Piedra de Colmenar, siguiendo la construcción tradicional de Madrid y copiando las trazas y estilo del Palacio Real de Madrid, localizado frente a la portada principal de la catedral.

La Catedral de la Almudena se encuentra en un buen estado de conservación, en gran medida por su construcción relativamente reciente. Los deterioros que presenta son puntuales y están principalmente localizados en la zona de la cripta, pues al llevar construida más de cien años, la superficie de sus materiales presenta las marcas del paso del tiempo. Así, puede apreciarse el impacto de proyectiles pertenecientes posiblemente a la Guerra Civil, disolución de las calizas blancas, afectando más directamente a las venas existentes de tonos rojizos, desplacados y arenización. Fundamentalmente, en las zonas más talladas de la portada, se observa la aparición de costras negras, generadas por la interacción de la caliza con la contaminación atmosférica existente en el entorno donde se ubica el inmueble.