9 февраля 1851 года была торжественно открыта вторая железная дорога в Испании (между Мадридом и Аранхуэсом) и первая станция в Мадриде (Аточа), которая в то время представляла собой всего лишь деревянный перрон.

Позднее, в 1865 и 1892 годах, станция была расширена. При последней перестройке станция приобрела очертания, по которым мы ее сейчас узнаем: по проекту инженера Сен-Жама был возведен главный купол длиной 152 метра, шириной 48 метров и высотой 27 метров.

После реконструкции 1984–1992 годов под управлением Рафаэля Монео весь комплекс разделился на две станции: старую и новую. От новой станции отправляются высокоскоростные поезда AVE, поезда дальнего следования и пригородные. В здании старой станции размещаются службы железнодорожной компании RENFE и торгово-развлекательный комплекс с зимним садом, насчитывающим более 7000 растений 260 видов.

От станции Аточа также курсируют два исторических поезда. «Клубничный поезд» идет до Аранхуэса в память о первом составе, вышедшем со станции Аточа. Паровой локомотив постройки середины ХХ века тянет два вагона 60-х годов и четыре вагона, построенных между 1914 и 1930 годами, а пассажиров обслуживают проводницы, одетые в стиле тех лет. Второй исторический поезд («Поезд Сервантеса») позволяет ознакомиться с Алькала-де-Энарес — родным городом великого писателя.