Der Bahnhof Atocha (offizieller Name nach ADIF: Madrid Puerta de Atocha) ist einer der beiden Fernbahnhöfe Madrids. Im Gegensatz zum Nordbahnhof Chamartín liegt Atocha im Zentrum der Stadt, an der Plaza Emperador Carlos V, unweit des Botanischen Gartens und des Museo del Prado. Außer den Fern- und Hochgeschwindigkeitszügen aus dem Süden Spaniens und den Regionalzügen halten in Atocha sämtliche S-Bahn-Linien (Cercanías) der Region sowie die Linie 1 der Metro Madrid. Atocha ist damit einer der wichtigsten Verkehrsknotenpunkte der 3,5 Millionen Einwohner zählenden Metropole.
Atocha wurde als Kopfbahnhof angelegt. Die alte Bahnhofshalle ist berühmt für ihre große Dachkonstruktion aus Gusseisen und Glas, die zwischen 1888 und 1892 im Jugendstil von dem aus Baskenland stammenden Architekten Alberto de Palacio y Elissague erbaut wurde. Seit 1992 südlich davon eine neue, deutlich größere Bahnsteighalle (Architekt José Rafael Moneo) in Betrieb genommen wurde, befindet sich unter dem riesigen Gewölbe der alten Bahnhofshalle ein tropischer Palmengarten, der als Wartehalle und Treffpunkt genutzt wird.
Der heutige Bahnhof setzt sich aus zwei Teilen zusammen: Zum einen besteht ein wiederum als Kopfbahnhof gebauter oberirdischer Bahnhofsteil, an dem manche Fernzüge des Hochgeschwindigkeitszugsystems AVE halten. Der andere Teil ist ein unterirdischer Durchgangsbahnhof, an den sich drei zweigleisige Tunnel durch die Stadt nach Norden bis zum Bahnhof Chamartín anschließen und der sowohl von Regional- und S-Bahn-Zügen als auch von der AVE genutzt wird. Der mittlere und zuerst fertiggestellte Tunnel führt weitgehend entlang der städtischen Hauptachse Paseo del Prado–Paseo de Recoletos–Paseo de la Castellana. Dieser Tunnel wird im Madrider Volksmund oft als „Túnel de la risa“ (Tunnel des Gelächters) bezeichnet, was auf seine insgesamt 34-jährige Planungs- und Bauzeit zurückzuführen ist. Die Bezeichnung wurde auch auf die beiden anderen Röhren übertragen: den 2008 eingeweihten westlichen Tunnel, der via Puerta del Sol und Nuevos Ministerios nach Chamartín führt, und auf den regelspurigen östlichen Tunnel für die AVE-Hochgeschwindigkeitszüge. Letzterer wurde bereits 2011 im Rohbau fertiggestellt, jedoch erst im Juli 2022 in Betrieb genommen und im September 2022 offiziell eingeweiht. Seit der Inbetriebnahme sind durchgehende Verbindungen auf Regelspur vom Norden Spaniens nach Sevilla und Valencia und dies ohne die zuvor notwendige Umspurung möglich. Gleichzeitig verlor jedoch die Großstadt Alicante ihre direkte AVE-Verbindung mit dem Bahnhof Atocha.Am 11. März 2004 wurde der Bahnhof während der morgendlichen Hauptverkehrszeit Schauplatz der Madrider Zuganschläge.