Según una antigua tradición, la primitiva talla de Santa María la Real de la Almudena se remontaría a la era apostólica. Su advocación procede del árabe, haciendo referencia a la almudayna donde se encontró la imagen, es decir, un edificio defensivo en la muralla o castillo. Tras ser conquistada la ciudad por Alfonso VI, y conociendo que había una antigua imagen de la Virgen escondida tras la invasión islámica de la península en algún lugar de la villa, se organizó una rogativa el 9 de noviembre de 1085, y al pasar por la almudayna, se abrió el muro dejando al descubierto la talla escoltada por dos cirios encendidos. La actual imagen sería tallada entre los siglos XV y XVI, atribuyéndolo algunos estudiosos a Diego Copín de Toledo. En torno al siglo XVII, se tiene constancia de que era revestida, aunque en 1890, el beato Ciriaco Sancha, obispo de Madrid, ordenó que saliera sin vestidos en la procesión del Corpus Christi.  

El 8 de septiembre de 1646, los regidores de la villa hacen voto de asistir a la fiesta de la Virgen como agradecimiento por el cese de unas inundaciones que sufría la ciudad. Aunque siempre se ha considerado que el patronazgo de la Virgen de la Almudena sobre la villa de Madrid procede de su entronización en la antigua mezquita tras la conquista de la ciudad y de la devoción que surgió entonces, será en 1905 cuando el papa Pío X la declara oficialmente, fijando la fecha de su fiesta el 9 de noviembre. Tras el derribo de su templo en 1868, la Virgen recibió culto en diversos templos, como la iglesia de las Religiosas Bernardas (hoy Catedral Castrense) o desde 1954, en la colegiata de San Isidro, la cual ejercía de catedral en espera del nuevo templo. Durante la Guerra Civil se temió la desaparición de la imagen, pero fue encontrada en la cripta de su templo con una soga alrededor del cuello y un letrero que decía ¡Respetadla!. La imagen fue coronada canónicamente en 1948 y en 1977 es nombrada patrona de la Archidiócesis de Madrid.

La Virgen de la Almudena se veneró siempre en su iglesia parroquial, proyectándose en 1868 un nuevo templo, a petición de la Congregación de Esclavos de la Virgen de la Almudena y con el apoyo expreso, unos años después, de la reina Mª de las Mercedes, esposa de Alfonso XII, cuyos restos acabarán descansando en el nuevo templo. El 4 de abril de 1883 se colocó la primera piedra de la iglesia, en presencia del rey. Al año siguiente, se crea la diócesis de Madrid por el papa León XIII, decidiéndose que el nuevo templo se convierta en Catedral. Tras más de un siglo de construcción, el 15 de junio de 1993, el papa san Juan Pablo II consagra el altar y dedica templo catedralicio. Actualmente, la Virgen de la Almudena se venera a un lado del crucero de la Catedral, en un retablo compuesto por 18 tablas pintadas por Juan de Borgoña entre el siglo XV y el XVI, sobre una peana de plata regalada por la villa de Madrid.

Existen diversas congregaciones que rinden culto a la santísima Virgen bajo la advocación de la Almudena: la Real e Ilustre Esclavitud y Santo Rosario de Santa María la Real de la Almudena (fundadas en 1640 y en 1758 repectivamente) y Corte de Honor de Santa María la Real de la Almudena en 1912.