Esta iglesia es una de las seis basílicas que existen en Madrid, junto con la Basílica de Jesús de Medinaceli, la Real Basílica de San Francisco el Grande, la Basílica Pontificia de San Miguel, la Basílica Hispanoamericana de Nuestra Señora de la Merced y la Basílica de la Milagrosa.

El santuario de Atocha fue elevado a basílica el 12 de noviembre de 1863 a petición de la reina Isabel II, gracia que le fue otorgada por el papa Pío IX. La actual edificación inaugurada en 1951 forma un rectángulo de 52 metros de frente por 34 de fondo, con una altura en la nave central de 13,25 metros en la que destacan las vidrieras de un estilo de interpretación moderna del románico y que representan los misterios del Rosario, según un diseño del pintor Carlos Pascual de Lara. Posteriormente, fueron terminados el altar mayor y el camarín de la Virgen .

La Virgen de Atocha es la más antigua patrona de la ciudad, apareciendo ya su culto en época visigoda. Posteriormente, sobre todo en los siglos XVI, XVII y XVIII, fue considerada especial protectora de los reyes de España y patrona de la realeza española. Actualmente, está gestionada  por Patrimonio Nacional.