En el proyecto de Cabarrús para la creación de un Banco Nacional, de 10 de octubre de 1781, se preveía que, en tanto no se dispusiera de una sede propia, la Real Hacienda cedería al nuevo Banco, por un período de tres años, la Casa de Correos o la Aduana, o cualquier otra edificación que dispusiera de unas características adecuadas y que se hallara situada en el centro de Madrid.
El 2 de junio de 1782 fue fundado, por Real Cédula del Rey Carlos III, el Banco Nacional de San Carlos, antecesor directo del actual Banco de España. Entre sus objetivos destacan los de servir de apoyo financiero al Estado y atender a los pagos de la Corona en el extranjero. Su capital era privado pero se creó bajo protección real, de donde le viene su nombre.
La primera Junta General, celebrada el 20 de diciembre de 1782, tuvo lugar en el Palacio de los Consejos, propiedad del conde de Altamira, y en ella se acordó buscar un edificio en arrendamiento que debía ser "la Casa mejor situada y más capaz que encontrasen en la mayor inmediación posible del Consejo y del Comercio, disponiendo en ella de las oficinas correspondientes, haciéndolo todo a la mayor brevedad".
La primera sede que efectivamente ocupó el Banco fue el Palacio de Monistrol, situado entre las calles de la Luna, Silva y Tudescos, que fue arrendado al conde de Sástago.
En 1825, el Banco se traslada a una casa adquirida en la calle de la Montera que tenía, además, fachada a la calle Angosta de San Bernardo.
En el año 1847, con motivo de su fusión con el Banco de Isabel II la sede se ubica en el edificio de los Cinco Gremios Mayores de Madrid, situado en la calle de Atocha y propiedad del Banco de Isabel II; aquí estará, ya como Banco de España desde 1856, hasta el traslado definitivo a la sede actual en 1891.
Para la construcción de la nueva sede se adquiere, en 1882, el palacio del marqués de Alcañices, situado en la calle de Alcalá con vuelta al Paseo del Prado. Ese mismo año se acuerda convocar un concurso público para la elección del proyecto arquitectónico que mejor se adapte a las necesidades del Banco y cuyas bases son redactadas por los propios arquitectos de la institución, Severiano Sainz de la Lastra y Eduardo de Adaro. Tan solo se presentan cuatro proyectos y ninguno de ellos es de la plena satisfacción de la comisión de obras, por lo que se encarga a los arquitectos del Banco que, tras estudiar los edificios de otros bancos europeos, redacten el proyecto definitivo, el cual es aprobado a finales de 1883, después de muchas vicisitudes.
Se pone la primera piedra el 4 de julio de 1884, en un acto al que asiste el Rey Alfonso XII. A partir de entonces se suceden adquisiciones de terrenos colindantes, cambios de criterio y modificaciones del proyecto que dan como resultado el monumental edificio inaugurado en 1891.
En 1927 se inicia otra importante ampliación con la adquisición de las casas del conde de Santamarca, situadas en la calle de Alcalá, a continuación del edificio inicial. Esta ampliación se produce según el proyecto del arquitecto del Banco, José Yarnoz Larrosa, quien, con acierto y generosidad, propone la prolongación de la fachada, repitiendo la imagen externa del edificio existente y reservando tan solo al interior las novedades arquitectónicas de la época.
El edificio combina el doble carácter industrial y de representación propio del establecimiento. El primero se aprecia prácticamente en toda la construcción, a excepción de la planta principal, en la que se albergan los más importantes despachos y las zonas de mayor representación. Los limitados adornos escultóricos quedan reservados al chaflán de Cibeles y a las portadas principales del Paseo del Prado y de la calle Alcalá, ésta última tras la ampliación de 1927. Su ejecución fue encargada, en su mayor parte, a escultores italianos, si bien siguiendo los modelos pedidos a los escultores españoles más conocidos de la época. Destacan también en el exterior del edificio las puertas de entrada, construidas en hierro dulce y con incomparable maestría por el artista Bernardo Asíns.
Ya en el interior, y en lo que al edificio de 1891 se refiere, destacan la escalera de honor y el patio que fue Caja General y que es hoy Biblioteca. La monumental escalera en mármol de Carrara, a la que se accede desde la puerta del Paseo del Prado, es una muestra de la arquitectura más tradicional, diseñada por los arquitectos del Banco y ejecutada por el bilbaíno Adolfo Areizaga.
Aparece acompañada de una serie de magníficas vidrieras encargadas a la empresa alemana Mayer, que las ejecuta siguiendo un estilo simbolista e incorporando numerosas figuras alegóricas.
Por su parte, el carácter industrial del Banco se materializa en la actual Biblioteca, encargada a la Fábrica de Mieres, en la que se incorpora la estructura metálica vista de hierro fundido.
La ampliación decidida en 1927 y terminada en 1934 incorpora, en el interior del edificio, las novedades arquitectónicas de la época a las que Yarnoz había renunciado en el exterior. Tan solo destacaremos el nuevo patio de operaciones, la rotonda que sirve de enlace interior entre los dos edificios y, por su singularidad, la cámara acorazada. El enorme patio de operaciones, con una altura de veintisiete metros y una superficie de unos novecientos metros cuadrados, se aparta de los conceptos clásicos y recoge algún ejemplo del Art Decó, como la vidriera superior, o como la pieza decorativa y al tiempo funcional situada en el centro del patio.
La rotonda comunica este patio de operaciones con la escalera principal y en su centro se alza una pieza escultórica en honor a Echegaray, obra de Coullaut Valera.
Entre 1969 y 1975, el Banco de España volvió a ampliar sus dependencias por las calles de los Madrazo y Marqués de Cubas, siguiendo el proyecto del arquitecto Yarnoz Orcoyen que nada tiene que ver con el carácter del edificio antiguo, pero que tampoco supone una aportación de interés. Con esta nueva ampliación el Banco ocupaba prácticamente toda la manzana. Tan sólo faltaba para completarla el edificio de la antigua Banca Calamarte, en la esquina de Alcalá con Marqués de Cubas, que siendo ya propiedad del Banco fue motivo de un concurso de ideas restringido en 1978, al que fueron invitados los arquitectos Oriol Bohigas Guardiola, Luis Cubillo de Arteaga, Fernando Moreno Barberá, Rafael Moneo Vallés, Eleuterio Población Knappe, Ramón Vázquez Molezún y Javier Yarnoz Orcoyen. La propuesta elegida fue la de Rafael Moneo, que ofrecía para esta esquina una solución en chaflán, repitiendo todos los elementos que Adaro había pensado casi cien años atrás para los pabellones extremos, en una línea análoga a la actuación de Yarnoz Larrosa en 1927.
En la actualidad estos trabajos se están llevando a cabo y se contempla la ejecución de planta baja, tres plantas sobre rasante y cuatro sótanos, con una superficie construida total de 4.736 metros cuadrados, de los que 2.171 se sitúan sobre rasante.