La iglesia de San Sebastián fue fundada como anejo de la parroquia de Santa Cruz aprovechando una ermita de ese nombre sita en el camino hacia el Santuario de Nuestra Señora de Atocha -hoy calle de Atocha-, hasta que en 1541 se independizó por iniciativa del cardenal Juan de Tavera, arzobispo de Toledo. El incremento de su feligresía motivó que en 1553 se decidiese levantar un nuevo templo en el solar actual, recayendo el proyecto en Antonio Sillero, que entre 1554 y 1578 levantó una iglesia con planta de cruz latina y tres naves, cuya capilla mayor fue trazada por Juan de Buesas y construida por los maestros de obra Antonio de la Tijera, Juan de Bulga y Juan de Obregón entre 1595 y 1598; al tiempo que Rodrigo de Arroyo y Clemente Fernández realizaban el cementerio anejo. En 1608 Lucas Hernández realza la nave central para mejorar la iluminación, y entre 1612 y 1613 construye la torre a los pies; instalándose entre 1619 y 1622 el retablo mayor trazado y pintado por Vicente Carducho y Antonio Lanchares. Simultáneamente se fundaban las capillas laterales, comenzando por la de los Lasso, ejecutada por Miguel de Santa María en 1605; a la que se sumó en 1611 la levantada por la cofradía de Ntra. Sra. de la Misericordia, que la amplió en 1616 y nuevamente en 1664, el mismo año que la cofradía de comediantes de la Virgen de la Novena encargó a Juan Fernández construir a los pies de la nave del Evangelio la capilla “de los Cómicos”, decorada con pinturas de Alonso del Arco, que se inauguró en 1673; enfrente de ésta, al otro lado del templo, ocupando los pies de la nave de la Epístola, Luis Carducho dirigió de 1647 a 1652 la construcción de la capilla de la Congregación del Santísimo Cristo de la Fe o “de los Alabarderos”, con retablo de José de Churriguera y Pedro de la Torre fechado en 1670; por último, en 1693 el maestro de obras Francisco Moreno levantó en el brazo derecho del crucero la capilla “de los Arquitectos” para la cofradía de Nuestra Señora de Belén en su Huida a Egipto, concebida como un pequeño templo de cruz latina centralizada con cúpula sobre pechinas, con tambor y linterna. En 1695 se arruinó la cúpula del crucero, que fue sustituida por otra más ligera trazada por Teodoro Ardemans, que la acabó dos años después, anticipando las renovaciones del siglo XVIII que afectaron a casi todo el templo: en 1714 el retablo de Carducho se trasladó a la parroquia aneja de San Lorenzo para dejar paso a otro trazado por José de Churriguera, que también diseñó la portada a la lonja de la calle de Atocha; entre 1766 y 1768 la capilla de los Arquitectos fue reformada por Ventura Rodríguez, que en 1785 trazó sus nuevos retablos con esculturas de Manuel Álvarez y su discípulo Julián de San Martín; en 1786 Julián de Barcenilla amplió el presbiterio con un nuevo coro y eliminó el retablo churrigueresco; y en 1794 Pedro Arnal renovó la capilla del Cristo de la Fe con un retablo de mármoles del escultor real Jorge Balze que en 1806 acogería un nuevo crucifijo labrado por Ángel Monasterio; mientras que Silvestre Pérez rehizo el de la capilla de los cómicos. Esta actualización neoclásica culminó en 1829 con la reforma de la portada de Churriguera por Juan Antonio Cuervo, que instaló la estatua del titular por Luis Salvador Carmona en una gran hornacina de medio punto coronada por un frontón sostenido por columnas jónicas, que apoya sobre la puerta adintelada, destacado sobre un paramento almohadillado coronado por dos obeliscos. En 1887 el arquitecto Ortiz de Villajos rehace la última capilla del lado del Evangelio, encargándose Salvador Páramo de las esculturas; en 1887 Luis Cabello Lapiedra convierte en capilla privada decorada con pinturas de Félix Granda la sacristía de los Arquitectos; y poco después el pintor escenógrafo José Martínez Garí repinta las pechinas y la cúpula de la capilla de los Cómicos, usando temple para no destruir las antiguas de Alonso del Arco.
Por desgracia, al inicio de la Guerra Civil (1936-1939), la iglesia fue saqueada, siendo bombardeada por la aviación del bando sublevado al creer que albergaba un polvorín del ejército republicano; por lo que el arquitecto municipal Fernando García Mercadal propuso convertir los restos supervivientes en el “Museo de los arquitectos madrileños”, que ocuparía el crucero y el presbiterio e incorporaría su capilla, mientras que la torre con la capilla de los Cómicos a sus pies quedaba como un conjunto exento separado por una nueva calle de San Sebastián, realizándose las expropiaciones oportunas. Tras la contienda, el templo fue reconstruido entre 1943 y 1959 por el arquitecto Francisco Íñiguez Almech, que reorienta el presbiterio hacia el norte para adaptarse al solar irregular comprado por el Ayuntamiento, integrando los restos de las antiguas capillas mayor y de los Arquitectos; aunque para ensanchar la calle adyacente tuvo que derribar la de los Cómicos y la torre, que trasladó a los pies, quedando inacabada. El exterior, en parte revocado y en parte imitando aparejo toledano con vanos guarnecidos de piedra berroqueña, presenta dos portadas: en la lateral a la calle de San Sebastián se instaló la antigua de Atocha –sin los obeliscos y con una escultura moderna de San Sebastián de Antonio Martín Méndez sustituyendo a la primitiva de Carmona perdida en la Guerra Civil-; mientras que la principal a Atocha se resolvió con un sencillo vano de acceso en arco de medio punto que da paso al nártex -presidido por un mural del Martirio de San Sebastián pintado por R. Sanjuán-, donde unas placas relacionan los ilustres personajes relacionados con este templo por bautizos, bodas, sepulturas, etc.. Al interior, el nuevo templo se organiza en planta central con un gran espacio ochavado cubierto por una cúpula oval sobre pechinas –con hornacinas con estatuas de los cuatro Evangelistas por Antonio Cruz Collado bajo sus correspondientes símbolos del tetramorfos-, perforada por lunetos y con linterna de coronación; a la que se adosan un pequeño vestíbulo con coro alto a los pies, y un profundo presbiterio semicircular con retablo mayor de los Talleres Granda donde destaca un San Sebastián de Cruz Collado bajo un Calvario de Luis Ortega Bru, pudiendo admirarse en este espacio varios lienzos del siglo XVII: una Inmaculada Concepción de Matías Ximeno, un Martirio de San Sebastián de Dionisio Mantuano, y la Preparación para el Martirio de San Sebastián de Lucas Jordán (Luca Giordano), además de un Santo Ángel de la Guarda pintado por Plácido Francés en 1890. Hay que destacar también las tres capillas que ocupan el lugar del antiguo crucero: la nueva de la Misericordia, con dos pinturas de Jordán salvadas de la antigua y una Virgen de vestir del escultor Víctor González Gil que reproduce la perdida en la guerra; la del Corazón de Jesús en la cabecera de la antigua iglesia, con un sagrario diseñado por Íñiguez Almech y ejecutado por el broncista Pedro José Villalba, una Inmaculada de Mateo Cerezo y un San Jerónimo penitente de Antonio de Pereda; y la reconstruida de los Arquitectos, con cúpula de casetones sobre pechinas decoradas con querubines, donde un mural de la Huida a Egipto por José Vaquero Palacios sustituye al retablo original, mientras que un grupos lateral con la misma temática de Cruz Collado se inspira en un original desaparecido de Luis Salvador Carmona, debiendo señalarse que en su cripta reposan los restos de Ventura Rodríguez y Juan de Villanueva. Igualmente hay que señalar que el rico e importante archivo de la iglesia, que sobrevivió a los saqueos y al bombardeo de 1936, fue el principal activo para la declaración del inmueble como Bien de Interés Cultural en 1969, reconociendo así su valor histórico más que su realidad material.
