Señalan los historiadores que este templo arraigado en el corazón del castizo barrio de La Latina es una de las iglesias más antiguas de la capital. Se desconoce la fecha exacta de su construcción, aunque se sabe que ya existía en el siglo XII, en los terrenos arrabaleros del Madrid mozárabe donde se alzaba la mezquita principal durante el periodo árabe.
Fue el estilo mozárabe el que lució la iglesia en sus primeros tiempos. Muy diferente en su sencillez a los recargados aires barrocos que hoy adornan al templo consagrado a San Andrés. Este Apóstol fue llamado Protocleto, cuyo significado es El Primer Llamado, por ser el que más temprano se convirtió en discípulo de Jesucristo, convenciendo a su hermano Pedro para que le siguiera.
San Isidro Labrador y su esposa Santa María de la Cabeza eran feligreses de la parroquia de San Andrés, al ser vecina de la casa de su amo, Iván de Vargas, posterior palacio de los marqueses de Paredes y hoy sede del municipal Museo de San Isidro. El cuerpo del patrón de la capital fue enterrado en el cementerio anexo a la iglesia, trasladándose en 1212 a su interior.
La Compañía de Jesús estuvo a cargo del templo hasta su expulsión en 1769, lo que propició el traslado de los restos del santo a la iglesia del Colegio Imperial, en la calle Toledo, donde se conservan desde entonces.
Antes de estos sucesos, los Reyes Católicos hicieron a la iglesia de San Andrés Capilla Real, construyéndose un pasadizo que la conectaba con la residencia de los monarcas del vecino palacio de los Laso de Castilla.
En aquellos momentos la iglesia sufrió su primera remodelación que la otorgó aires góticos. El desplome de la techumbre sucedido en 1656 obligó a su reconstrucción, al tiempo que se erigió la Capilla de San Isidro. Concluida en 1669, Pascual Madoz señala en sus crónicas que el costo se elevó a 11.960.000 reales, aportados por la Corona, la Villa de Madrid y los virreinatos de México, Nueva Granada y Perú.
En 1925, la iglesia de San Andrés fue declarada Monumento Nacional, "por su significado en la historia del barroco español y ultramarino". Una década más tarde, en los inicios de la Guerra Civil, fue incendiada, desapareciendo valiosas obras de artistas de la talla de Juan Carreño, Manuel Pereira y Francisco Rizzi entre otros. Sólo quedó en pie la fachada.
La iglesia permaneció en ruinas hasta 1986, cuando se inició una nueva restauración prolongada hasta 1990. Fue reconstruida según proyecto de los arquitectos Vellés, Casariego y Posada, que respetó al máximo el modelo anterior a su destrucción.
La falta de fondos dejó inconclusa la recuperación. Retomada en 2022, se prolongó hasta el 3 de abril de 2024, fecha en la que finalizaron las últimas actuaciones. Las obras han devuelto su esplendor a un templo en el que destaca la cúpula barroca, cuya altura de medio centenar de metros la sitúa entre las más potentes de la capital.