Koncepcja została pierwszy raz pokazana w październiku 2012, gdy Real Madryt wyłonił czterech finalistów międzynarodowego konkursu na projekt przebudowy stadionu. W styczniu 2014 ogłoszono ostatecznie wybór właśnie tej koncepcji, autorstwa GMP Architekten, L35 Arquitectos oraz Ribas&Ribas.
Plan rozłożonej na trzy lata przebudowy zakładał nadbudowę miejsc premium na prawie całym obwodzie stadionu oraz nowe sektory na wschodzie. Do zachodniej części obiektu miał być doklejony pasaż handlowy i hotel.
Ostatecznie jednak, po licznych problemach biurokratycznych Real zrezygnował z dużej części planu, usuwając hotel, centrum handlowe i parkingi wielopoziomowe. Zamiast osiągnąć ponad 93,5 tys. miejsc, jak planowano pierwotnie, stadion będzie zbliżony pojemnością do dotychczasowego poziomu 85 tys. miejsc.
Cały stadion ma otrzymać zupełnie nową, metaliczną elewację o futurystycznym kształcie. Powstanie też nowe zadaszenie z rozsuwaną częścią nad boiskiem. Na obwodzie wewnętrznej krawędzi dachu znajdzie się panoramiczny telebim.
22 czerwca 1944 roku ówczesny prezes Realu Madryt, Santiago Bernabéu, uzyskał kredyt bankowy na budowę nowego stadionu dla swojego klubu. 5 września dokonano uroczystego wyboru projektu nowego obiektu – miał pomieścić 75145 widzów, z czego 27645 na miejscach siedzących i 47500 na stojących. Łącznie 9125 osób miało mieć możliwość zajęcia miejsca pod dachem.
27 października rozpoczęła się budowa, a oficjalna inauguracja obyła się 14 grudnia 1947. W meczu otwarcia Real Madryt pokonał CF Os Belenenses 3:1, a pierwszego gola na nowym obiekcie – zwanym początkowo Nuevo Estadio Chamartín (od nazwy poprzedniego stadionu Realu Madryt) – zdobył Sabino Barinaga.
Pierwszą z wielu przebudowań przeprowadzono już w 1954, powiększając pojemność do 120 tysięcy, zaś w maju 1957 rozegrano pierwszy mecz przy sztucznym oświetleniu; przeciwnikiem Realu Madryt był Sport Club do Recife. Wówczas stadion nosił już nazwę Estadio Santiago Bernabéu – przemianowanie na cześć prezesa Santiago Bernabéu nastąpiło 4 stycznia 1955. Pierwszy mecz reprezentacji Hiszpanii na Estadio Bernabéu odbył się w 1964 roku – jej przeciwnikiem była wówczas drużyna Związku Radzieckiego.
Kolejną dużą przebudowę przeprowadzono w latach 80. – na rozgrywane w Hiszpanii Mistrzostwa Świata 1982; kierowali nią Manuel Salinas oraz Luis i Rafael Alemany, synowie twórcy stadionu. Pojemność obiektu została ograniczona do 90800 miejsc.
Ostatnie miejsca stojące, ze względu na regulacje UEFA, zlikwidowano na przełomie lat 1998/1999, natomiast dwie ostatnie przebudowy to w 2007 roku utworzony dach nad trybuną (wschodnią), oraz utworzone w 2011 roku 900 nowych miejsc, położonych w sektorze Primer Anfiteatro od ulicy Ojca Damiana, który zadebiutował podczas spotkania Realu z FC Barceloną, pierwszym meczu Superpucharu Hiszpanii w 2011 roku.
12 grudnia 2004 w 88. minucie gry mecz Realu z Realem Sociedad został przerwany. Powodem był telefon od człowieka powołującego się na ETA, który powiedział, że na Santiago Bernabéu o 21:00 wybuchnie bomba[2]. W ciągu dziesięciu minut przeprowadzono ewakuację kibiców. Alarm okazał się fałszywy. Mecz dokończono 5 stycznia 2005 roku.
31 stycznia 2014 Florentino Perez ogłosił, że GMP Architekten, L35 i Ribas wygrali międzynarodowy konkurs na projekt przebudowy Santiago Bernabéu. Przebudowa ma zająć 3 lata[3]. Od 26 marca 2020 roku stał się magazynem materiałów sanitarnych w związku z pandemią COVID-19.
