El 9 de febrero de 1851 se inauguró la segunda línea férrea de España (que unía Madrid y Aranjuez) y con ella la primera estación de tren de la ciudad, la de Atocha, entonces un simple embarcadero de madera.

La estación se amplió posteriormente en 1865 y en 1892. De ese último año su elemento más identificativo es la cubierta de la nave principal que, calculada por el ingeniero francés Henri de Saint-James, presenta unas medidas de 152 metros de largo, 48 de luz y 27 de altura, y es una de las estampas más reconocibles de la ciudad.

Tras la reforma realizada por Rafael Moneo entre 1984 y 1992, en la actualidad la estación de Atocha es un complejo formado por dos estaciones: la antigua y la nueva. La nueva es la destinada al tráfico ferroviario –terminal del AVE, largo recorrido y red de Cercanías-, mientras que la antigua ha sido dedicada a oficinas de RENFE y a un complejo comercial y de ocio, en el que se ha instalado un jardín tropical que alberga más de 7000 plantas de 400 especies.

Entre los servicios que se ofrecen a los visitantes se encuentran también unos aseos premium situados en las zonas de Cercanías y del Jardín Tropical, en los que, por un euro (que se recupera a modo de descuento en las tiendas de la estación), se puede acceder a baños (con tecnología contactless); duchas; puestos de chequeo de salud (para tomar la tensión, medir la frecuencia cardíaca y la saturación de oxígeno en sangre, pesarse, calcular el índice de masa corporal (IMC) y medirse); una sala de lactancia con cambiador, microondas y una butaca para la mamá y el bebé; una sala para familia con inodoro para adulto, para niño y cambiador; un punto de agua gratuito; un tocador para mujer y para hombre y espejos motivacionales con información a tiempo real sobre el tiempo, consejos de higiene, etc. Los baños cuentan también con una sala para personas con discapacidad. 

De Atocha parte el Tren de Cervantes, que permite descubrir Alcalá de Henares, localidad natal del autor de El Quijote.

Desde el 19 de noviembre de 2022 la estación pasa a llamarse Madrid - Puerta de Atocha - Almudena Grandes en recuerdo de la gran escritora madrileña, fallecida en 2021.