D'un point de vue architectural, il s'agit de l'un des endroits les plus intéressants du palais. On y accède depuis la galerie qui entoure la cour d'honneur, située au milieu du côté nord du niveau principal du palais. Bien que Ventura Rodriguez, l'assistant de Sachetti à l'époque, ait présenté un projet différent, Ferdinand VI l'a finalement choisi. Construite entre 1750 et 1759, la chapelle. Son plan est soit rond, soit elliptique, et sa coupole est de couleur demi-orange. Une seule colonne de marbre noir de Maaria (Biscaye) se trouve à chacun des angles qui composent le plan, à l'exception de l'atrium qui présente des pilastres noirs imitant le marbre. Ces colonnes sont au nombre de seize. Les chapiteaux de ces colonnes sont en stuc doré. L'autel principal en marbre est situé à l'est de la chapelle, l'autel de l'évangile est situé au nord, l'orgue est situé à l'ouest et l'atrium est situé sur le côté sud. Près du maître-autel, qui se trouve à droite, les sièges royaux sont situés sur le côté nord.

La décoration de la chapelle royale a été conçue et supervisée par le peintre Corrado Giaquinto, qui a également réalisé les fresques de la chapelle et de l'atrium. Felipe de Castro a peint les anges du tambour. Le tableau de Ramón Bayeu représentant saint Michel terrassant les démons est exposé sur le maître-autel, et la dernière œuvre de Mengs, L'Annonciation, est exposée sur l'autel de l'Évangile. Le baldaquin et les sièges des souverains ont été réalisés en satin blanc avec des broderies d'argent et des soies colorées sous le règne de Ferdinand VI. L'orgue, construit par Jorge Bosch Bernat en 1778, est considéré comme un véritable chef-d'œuvre. La chapelle abrite les ossements de Saint Félix, qui sont exposés sous la forme d'une figure de cire à l'intérieur d'un sarcophage de verre.

La chapelle royale a récemment été utilisée comme chapelle mortuaire pour les enterrements de membres de la famille royale espagnole, notamment Don Juan de Borbón, comte de Barcelone, en avril 1993, et Mara de las Mercedes de Borbón-Dos Sicilias, comtesse de Barcelone, en janvier 2000. Un Te Deum a été célébré dans cette chapelle en novembre 2000 à l'occasion du 25e anniversaire du couronnement de Juan Carlos Ier comme roi d'Espagne.