Aux XVe et XVIe siècles, les rois de Castille y séjournent de plus en plus souvent. En 1329, les premières Cortes se tiennent à Madrid. Charles Quint fait transformer l'alcazar en résidence royale. En 1561, Philippe II décide de transférer à Madrid l'administration du royaume. La présence de la cour a pour conséquence une rapide croissance démographique de la ville: la population passe de 20 000 habitants vers 1550 à 70 000 en 1620. Philippe IV fait construire une nouvelle enceinte en 1625, qui ne sera terminée qu'en 1635.

Pendant deux siècles, la superficie de Madrid demeure identique, alors que la population continue de croître: 173 000 h. à la fin du XVIIIe siècle; 300 000 h. au milieu du XIXe siècle. La capitale connaît alors de grandes transformations: des boulevards remplacent l'enceinte du XVIIe siècle, de nouveaux quartiers (ensanches) sont créés, tandis que des faubourgs populaires se développent le long des grands axes routiers. La ville compte 529 000 h. en 1900 et le double en 1935. Au cours de la guerre civile (1936-1939), Madrid demeure la capitale de la république jusqu'au 28 mars 1939, date de la victoire générale du franquisme. À partir de 1950, l'afflux massif de provinciaux entraîne une augmentation de la population, estimée à 2 millions d'habitants en 1960. Capitale d'un pays en plein essor, Madrid gagne 1 million d'habitants dans les années 1960.