W 1617 do przebudowy Plaza Mayor został zatrudniony architekt królewski Juan Gómez de Mora, pod którego kierunkiem ukończono adaptację placu w 1619. Został przyjęty kształt prostokąta o rozmiarach 120 × 90 m, otoczonego pięciokondygnacyjnymi budynkami. Mieszkało tam wówczas ok. 3 tysiące ludzi, co powodowało niespotykane zagęszczenie. Trzykrotnie spłonęły one w pożarach (1631, 1670 i 1790) i ostatecznie plac uzyskał dzisiejszą postać w roku 1790. Pracami przy odbudowie kierował Juan de Villanueva, który ujednolicił fasady i dodał łuki przy wejściach na plac. On też zadecydował o obniżeniu zabudowy z czterech do trzech pięter oraz zabudowania narożników, po jego śmierci prace kontynuowali jego uczniowie Antonio López Aguadoi i Kustodia Moreno. Z okolicznymi ulicami plac łączy dziewięć bram, z których najsłynniejszą jest Arco de Cuchilleros (Łuk Nożowników).