В 1561 году их правнук король Филипп II перенес королевский двор из Севильи в Мадрид. Мадрид стал столицей Испании.
В 1556 году Филипп II взошел на испанский королевский трон, став самым могущественным монархом в мире. Он унаследовал от своего отца-императора Священной Римской империи Карла V (в Испании он носил имя Карлос I, первый монарх династии Габсбургов в Испании, Австрийский Император, который перенес столицу империи в Испанию) огромную многонациональную империю, включающую большую часть Западной Европы, Южной Америки, а также крупные владения в Азии. В то время Испания вела многочисленные войны с католической Францией, с протестантской Англией, постоянно вспыхивали восстания в Нидерландах, Бельгии, Люксембурге и в самой Испании среди морисков (мусульман, принявших христианство). С правлением Филиппа II связано, прежде всего, развитие испанской империи, которое вошло в историю как Золотой Век, который продлился с 1580 по 1680 год. В эту эпоху Мадрид пережил моменты своего наивысшего исторического и культурного развития. Во время Золотого Века Испания достигла выдающихся результатов в области культуры – живописи, литературы и театра. В Мадриде жили такие талантливые личности, как Сервантес, Кеведо, Лопе-де –Вега, Гонгора, Кальдерон-де-ла-Барка, Тирсо-де-Молина, Рубенс, Алонсо Кано, Гомес-де-Мора, Веласкес и другие выдающиеся деятели культуры. Испания получала огромные денежные средства из Южной Америки в виде серебра и золота и являлась самой богатой страной в мире.
Изменение статуса Мадрида привело к значительной миграции, что в три раза увеличило население города, которое составило 60 тысяч человек. Нехватка жилья привела к активному развитию строительства. Во времена Филиппа IV население Мадрида превысило 100 тысяч человек. В 1625 году Филипп IV издал указ о строительстве городской стены, просуществовавшей до 1868 года и проходившей по сегодняшним улицам Принцесса, Пасео дель Прадо, Сеговия и Толедо. Началось создание городских систем освещения и канализаций, мощение и украшение улиц, строились красивые здания, церкви и монастыри, соответствующие новому статусу резиденции королевского Двора.
При правлении императоров Карлоса III и Карлоса IV (1759 – 1808) были проведены важные административные реформы, реформы в области налогообложения и образования. При короле Карлосе III Мадрид стал настоящей европейской столицей. Для работы в ней были приглашены такие архитекторы, как Саббатини, Марке, Вентура Родригес, Хуан де Вильянуэво и др. Мадрид и Испания возрождались на глазах. Был восстановлен флот, Испания вернула себе старые владения, которые потеряла раньше, вместе с Францией она поддержала США в войне с Англией, и смогла вернуть Флориду в Северной Америке. Карлос III был одним из любимых королей Испании. Его именем назван университет в Мадриде, великий итальянский скульптор Саббатини посвятил Карлосу III одни из самых известных ворот Мадрида, Пуэрта-де-Алкала, в 1994 году на главной площади Мадрида Пуэрта-дель-Соль году была установлена конная статуя Карлоса III.
В