La cartoteca histórica municipal alberga el mejor archivo cartográfico y fotogramétrico de la capital desde principios del siglo XX. Sus archivos surten a investigadores, administraciones y litigantes, y explican la evolución urbanística de los últimos 150 años de la ciudad.

Este archivo, adscrito al servicio de Cartografía, se inició al crearse la Gerencia (actual Área) de Urbanismo en 1959. Fue entonces cuando comenzaron a recopilarse planos de diversas instancias municipales y a adquirir fondos de otras instituciones. Alfonso Mora, miembro del Instituto de Estudios Madrileños, ha sido el responsable de la unidad técnica de mantenimiento cartográfico desde 1972 hasta hace unos meses, que se jubiló. Bajo su supervisión se puso orden en la cartoteca, que estuvo a punto de desaparecer en época de Juan Barranco hasta que intervino el propio alcalde en su defensa.

La pieza más antigua del departamento es un plano del Instituto Geográfico Nacional, elaborado entre 1872 y 1874 por Carlos Ibáñez de Ibero, en el que ya se observan los frutos del Plan Castro. La siguiente edición del autor, de 1877, ya incluía las conducciones de gas y agua que se iban instalando en Madrid. El siguiente paso cartográfico que se alberga es una colección del arquitecto municipal Carlos Colubi de 1884 que marca el censo parcelario de los ensanches de la época, considerado el extrarradio.