El primer proyecto de construcción fue realizado por Juan de Herrera por orden de Felipe II, con el fin de remodelar la antigua plaza del Arrabal, lugar de celebración de un importante mercado.
Sin embargo, el proyecto de remodelación no se llevó a cabo hasta el año 1617 por Juan Gómez de Mora, discípulo de Juan de Herrera. Con ella Felipe III añadió prestigio a su reinado.

En el siglo XVII fue gran escenario de acontecimientos públicos; fiestas, recibimientos solemnes, juegos de cañas (espectáculo considerado padre del rejoneo) y toros. En sus portales se reunieron los más famosos gremios (agrupaciones profesionales) de la época, Su huella se puede apreciar aún hoy en las casas que rodean la plaza.
El aspecto que presenta hoy la plaza se debe a Juan de Villanueva, que la reconstruyó tras el tercer incendio sufrido en el año 1790 (los dos anteriores se produjeron en los años 1631 y 1672).

En el centro de la plaza se encuentra la estatua ecuestre de Felipe III, obra de Juan de Bolonia y Pietro Tacca.

En la parte central de uno de los laterales de la Plaza Mayor, se halla la Casa de la Panadería, antigua sede del gremio de los panaderos; pasó luego a albergar la Real Academia de Bellas Artes de San Fernando, a la que debe la espectacular decoración de su fachada, cuyas pinturas fueron totalmente renovadas hace pocos años.

En 1996 el carillón del reloj volvió a sonar con motivo de la festividad de la Almudena, tocando compases del pasacalles "Los Nardos" para marcar los cuartos; del chotis "Madrid" para señalar las medias horas; de la zarzuela "La Verbena de la Paloma" para los tres cuartos y del "Himno de la Almudena" para marcar las horas. En la actualidad alberga los fondos del Archivo Municipal, y su balcón central se utiliza para dar el pregón de las fiestas de San isidro, patón de la ciudad.

En el lateral opuesto a la casa de la Panadería se sitúa la casa de la Carnicería. En esta casa de la plaza mayor se encontraba el depósito general de carnes que abastecía los mercados y las tiendas de la ciudad.

Se desconoce la fecha exacta de la construcción de este edificio, pero se cree que fue reconstruida después del incendio que se produjo en la plaza en 1631, resultando un edificio de características similares a la Casa de la Panadería, con amplios soportales, porticado y con dos torres angulares que remataban los cuerpos laterales. A finales del siglo XIX acogió las dependencias de la Tenencia de Alcaldía y de la Casa de Socorro del distrito de la Audiencia. En la actualidad es la sede de la Junta Municipal del Distrito de Centro.