Desde el punto de vista arquitectónico, es uno de los lugares más intrigantes del palacio. Se accede a él desde la galería que rodea el patio principal, situada en el centro del lado norte del nivel principal del palacio. Aunque Ventura Rodríguez, entonces ayudante de Sachetti, había presentado originalmente un diseño diferente, Fernando VI lo eligió finalmente. Construida entre 1750 y 1759, la capilla. Su planta es redonda o elíptica, y su cúpula es de color media naranja. Hay una sola columna de mármol negro de Maaria (Vizcaya) en cada una de las esquinas que componen la planta, a excepción del atrio, que presenta pilastras negras que imitan el mármol. Hay un total de dieciséis columnas de este tipo. Estas columnas tienen capiteles de estuco dorado. El altar mayor de mármol está situado al este de la capilla, el altar del Evangelio al norte, el órgano al oeste y el atrio en el lado sur. Cerca del altar mayor, que se encuentra a la derecha, los asientos reales están situados en el lado norte.
La decoración de la Capilla Real fue planificada y supervisada por el pintor Corrado Giaquinto, que también realizó los frescos de la capilla y el atrio. Felipe de Castro pintó los ángeles del tambor. El cuadro de Ramón Bayeu de San Miguel derrotando a los demonios se exhibe en el altar mayor, y la obra final de Mengs, La Anunciación, en el altar del Evangelio. El baldaquino y los sitiales de los soberanos fueron confeccionados en raso blanco con bordados de plata y sedas de colores durante el reinado de Fernando VI. El órgano, que Jorge Bosch Bernat construyó en 1778, está considerado una auténtica obra maestra. La Capilla alberga los huesos de San Félix, que se exponen en forma de figura de cera dentro de un sarcófago de cristal.
La Capilla Real se ha utilizado recientemente como capilla mortuoria para enterramientos de miembros de la familia real española, entre ellos Don Juan de Borbón, Conde de Barcelona, en abril de 1993, y Mara de las Mercedes de Borbón-Dos Sicilias, Condesa de Barcelona, en enero de 2000. En noviembre de 2000 se interpretó en esta capilla un Te Deum con motivo del 25 aniversario de la coronación de Juan Carlos I como Rey de España.