Einer von zwei großen Fernbahnhöfen Madrids ist der als Kopfbahnhof erbaute Bahnhof Atocha. Er liegt im Zentrum der Stadt an der Plaza Emperador Carlos V, Nähe des botanischen Gartens und des Museo del Prado. Für das aus Gusseisen und Glas konstruierte Dach ist die alte Bahnhofshalle, welche zwischen 1888 und 1892, im Jugendstil, von dem Architekten Alberto del Palacio Elissague, erbaut wurde, berühmt. Deshalb auch sehr beliebt bei Touristen, die nach Spanien reisen. Nicht nur sämtliche S-Bahnlinien der Region sondern auch die Fern- und Hochgeschwindigkeitszüge aus dem südlichen Spanien, sowie die Regionalzüge und die Linie 1 der Metro Madrid halten am Bahnhof Atocha. Für die 3,5 Millionen Einwohnermetropole ist er der wichtigste Verkehrsknotenpunkt auf dem Weg zur Arbeit, in die Schule oder auf Reise. 1992 wurde der, südlich von Atocha befindliche, neue Bahnhof in Betrieb genommen. Seither befindet sich tropischer Palmengarten, welcher als Wartehalle und Treffpunkt genutzt wird, unter dem riesigen Gewölbe der alten Bahnhofshalle. Aus zwei Teilen besteht der heutige Bahnhof. Im oberirdischen Bahnhofsteil enden die Fernzüge, unter anderem der Hochgeschwindigkeitszug AVE nach Sevilla.

Den unterirdischen Durchgangsbahnhof nutzen Regionalzüge und S-Bahnen. An diesen Durchgangsbahnhof schließt sich ein viergleisiger Tunnel an, der von Süden nach Norden durch die Stadt bis zum Bahnhof Charmatin führt. Auf Grund der langen Planungs- und Bauzeit des Tunnels wird dieser im Volksmund Madrids als Tunnel des Gelächters bezeichnet. Im Zwischengeschoss des Bahnhofs befindet sich das Restaurant Samarkanda mit Blick über die Halle. Am 11. März 2004, in der morgendlichen Hauptverkehrszeit, wurde der Bahnhof mit einem islamistischen Bombenattentat, bei welchen 192 Menschen starben, überschattet. Seit 2007 erinnert ein gläsernes Mahnmal gegenüber dem Haupteingang an die Opfer des Anschlags.