W początkach XVI w. rezydujący w pobliskim Toledo dwór królewski często zatrzymywał się w Madrycie w czasie podróży do Valladolid, Burgos, Segowii, czy leżących blisko Madrytu lasów El Pardo i Valsaín. W 1537 r. Karol I podjął decyzję o przebudowie istniejącego zamku. Zatrudnił w tym celu architektów Luis de Vega oraz Alonso de Covarrubias, którzy uczynili z Alkazaru renesansową rezydencję. Powstały dwa dziedzińce zwane dziedzińcem króla (patio del Rey) i dziedzińcem królowej (patio de la Reina), przedzielone pośrodku krużgankiem w którym umieszczono główną klatkę schodową (escalera principal). Oba dziedzińce otoczono krużgankami i ozdobiono granitem.
Za panowania Filipa II kontynuowano przebudowę i adaptację Alkazaru na oficjalną siedzibę monarchy w nowej stolicy Hiszpanii. Przebudową kierował w latach 1561–1598 Gaspar de la Vega. Architekt ten połączył dwie kwadratowe wieże stanowiące dominantę architektoniczną głównej fasady Alkazaru za pomocą krytej galerii. Filip II mając w pamięci wspomnienie swej wizyty w Niderlandach, kazał Juanowi Bautiście de Toledo wybudować wieżę, która swym stylem nawiązywać będzie do budowli Flandrii.