Después de las mejoras llevadas a cabo por Isabel II en la Real Basílica de Atocha, el templo fue escenario de dos bodas reales muy singulares por sus semejanzas y cercanía en el tiempo. En enero de 1878 Alfonso XII se casaba con María de las Mercedes de Orleans, y en noviembre de 1879 con María Cristina de Habsburgo-Lorena. En ambos casos se produjeron festejos y se engalanó la ciudad para el recorrido del cortejo nupcial hasta la basílica. Fruto de estos enlaces se hizo donación de dos vestidos de ambas reinas para confeccionar ropa de ajuar para la Virgen de Atocha, que vinieron a sumarse a los ya regalados por Isabel II tras salir indemne del intento de atentado del cura Merino.
El final del siglo XIX supuso el crecimiento acelerado de Madrid tras la implantación del plan Castro para el ensanche de la capital, lo que desencadenó la enajenación y parcelación de los terrenos del antiguo olivar en 1884. La ruina del cuartel contiguo y el estado envejecido de la fábrica de la iglesia hicieron que la reina María Cristina decidiera convocar un concurso público para levantar una nueva Basílica y Panteón de
Hombres Ilustres en el mismo lugar. En 1890 se declaraba ganadora la propuesta de Fernando Arbós y Tremanti, de la que únicamente se llegó a levantar el Panteón, consagrado en julio de 1902. La actual basílica, tiene su origen en la iglesia que construyeron en 1926 los frailes dominicos en la antigua huerta del convento como edificio “temporal” mientras durasen las obras del gran proyecto de Arbós que nunca llegó a completarse más allá de claustro y campanile.