La conocida como Iglesia de San Pedro el Real aparece citada en el Fuero de Madrid de 1202, como una edificación existente en la actual plaza de Puerta Cerrada, siendo trasladada a su actual ubicación en el siglo XIV, en un solar que la tradición indica que ocuparía una antigua mezquita del arrabal de la Morería. El edificio actual es el resultado de numerosas modificaciones a lo largo de los años alterando su aspecto primitivo, siendo la más trascendente la llevada a cabo en el siglo XVII, en la que se intentó dar uniformidad arquitectónica al edificio.
Del siglo XIV es la torre de planta cuadrangular de unos 30 metros de altura, con base de granito, tres cuerpos de ladrillo visto donde se abren aspilleras enmarcadas por arquitos ciegos de herradura en distintas alturas para dar luz a la escalera interior, y rematado por un campanario de estilo herreriano, añadido en el siglo XVII. Restos del antiguo templo mudéjar original tan solo se conservan algunos muros, los que configuran las naves y las criptas, bajo la actual sacristía y al noreste de la torre, así como otros arquillos ciegos ocultos en la cabecera y la arquería norte. Del siglo XV con rasgos arquitectónicos del gótico es la cúpula nervada de la capilla de los Luján -hoy llamada sede de la Congregación del Perpetuo Socorro-, en el lado de la Epístola, donde estuvo el sepulcro fray Antonio de Luján, obispo de Mondoñedo, hoy en el Museo Arqueológico Nacional. El resto del edificio se corresponde con la reforma proyectada por Francisco Sanz en 1655 a instancias del arzobispo Lorenzo Reinoso, en un intento de unificar arquitectónicamente el conjunto, y que sería concluida en 1661. El templo es de planta basilical de tres naves, la central cubierta por bóveda de medio cañón y lunetos, mientras que las laterales se cubren con bóvedas de crucería; crucero cubierto con cúpula y el presbiterio. con cúpula elíptica gallonada sobre pechinas, diseñada por Lorenzo Hernández de Medina, donde se ubica el retablo mayor de estilo barroco, obra de Sebastián de Benavente de 1671, presidido por la imagen de la Inmaculada Concepción, obra del siglo XIX, acompañada a los lados por pinturas de San Francisco de Asís y Santa Isabel de Hungría del siglo XVII, probablemente de la escuela de Vicente Carducho; y rematado por un atico con el cuadro de la Crucifixión de San Pedro, ejecutado por Juan Bautista Caturnio en 1771, copia exacta del pintado por Guido Reni para la Basílica Vaticana y que se conserva en los museos de la Santa Sede. La capilla de la Congregación de Nuestra Señora de la Soledad presenta un retablo que fue realizado en 1722 y es cerrada por una rejería de 1772, obra de Francisco González. Por la veneración que despierta en los madrileños, destaca la imagen de Jesús el Pobre, llamado así para distinguirlo de Jesús de Medinacelli, obra que fue atribuida a Juan de Astorga y se dice esculpida en Sevilla a finales del siglo XVIII, trasladándose a Madrid en 1812 como regalo de la Duquesa de Santiesteban y Medinacelli. Se enmarca en un retablo reconstruido con piezas de otro anterior. Le acompaña como cotitular de la Cofradía de Jesús el Pobre, la imagen de vestir de María Santísima del Dulce Nombre en su Soledad, obra de 1999 de la escultora sevillana Lourdes Hernández.
El exterior, enfoscado en revoco rojizo, es sobrio en decoración abriéndose en ellas varios vanos adintelados. A los pies del templo, junto a la torre, se abrió en 1525 una sencilla portada renacentista cerrada con rejería, que posteriormente sería anulada, eliminando los escalones de acceso. La portada principal situada en la fachada del lado de la Epístola -derecho- se abre a la plaza de San Pedro fue construida en 1794, sobre la que se abre una hornacina fruto de las últimas restauraciones, donde se ubicaría una escultura en piedra de San Pedro, flanqueada por dos escudos reales de la época de Carlos I.
Durante la Guerra de la Independencia, el templo fue asaltado por los franceses, quedando en un estado lamentable y perdiéndose multitud de objetos del interior. Sería salvada de la ruina por el Arzobispo de Toledo con la ayuda de las cofradías, siendo reconstruida. En 1886, el edificio vuelve a amenazar ruina, pensándose en su derribo y traslado a un nuevo edificio en la calle Carretas, que no se llevó a cabo pero en 1891 se trasladaría la parroquia a la iglesia de la Paloma, que pasó a llamarse San Pedro el Real, mientras que la situada en la calle del Nuncio empezaría a llamarse popularmente como San Pedro el Viejo. Durante la Guerra Civil (1936-1939) el templo vuelve a ser asaltado, salvándose algunas obras de arte, siendo restaurada posteriormente en varias ocasiones.
