Los deseos por construir una catedral en Madrid se remontan al siglo XVI. Así, ya en 1518, Carlos V expresó su deseo de construir una catedral que sustituyera a la antigua parroquia de Santa María, principal de la Villa. Pero la resistencia al proyecto del Cardenal Guillermo de Groy dejó en un segundo plano este tema para el emperador.
El deseo de construir una catedral en Madrid se avivó durante el reinado de Felipe II con la llegada definitiva de la Corte a la ciudad. Según un informe de 1567, "por el bien universal de la villa y su tierra, importa y tiene gran necesidad que se haga en ella una iglesia catedral y cabeza de Obispado". Sin embargo, volcado como estaba el monarca en el proyecto del Monasterio de El Escorial, no se llevó a cabo ninguna acción. Otra razón poderosa era la ausencia de obispado en Madrid. En efecto, la capital pertenecía a la archidiócesis de Toledo, cuyo arzobispo siempre se opuso a la segregación de la capital de la diócesis toledana.
Bajo el reinado de Felipe III y Felipe IV hubo de nuevo movimientos de cara a la construcción de la catedral. Así, la mujer de este último monarca, Isabel de Borbón, en 1644 legaba 60.000 ducados para la construcción del templo. El Concejo de la Villa donó también 150.000 ducados, pero, una vez más, todo quedó en suspenso a pesar de que en 1623 se hubiese colocado la primera piedra.
Siempre bajo patrocinio real, hubo varios intentos posteriores. Por ejemplo, durante el siglo XVIII se realizaron varios proyectos, entre ellos los de Juan Bautista Sachetti y Ventura Rodríguez.
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