A ambos lados del Altar Mayor de la Basílica, sobre las habitaciones de Felipe II y su hija Clara Eugenia, se encuentran los Cenotafios Reales (”monumento funerario en el que no está el cadáver del difunto a quien se dedica”). Los dos conjuntos son grupos escultóricos orantes con las manos juntas, mirando hacia el altar, en bronce dorado, con esmaltes y obra de Pompeyo Leoni. El del lado del evangelio representa al emperador Carlos V, vestido con armadura y amplio manto en el que destaca el águila bicéfala, su esposa, Isabel de Portugal, María de Austria y Leonor de Francia, hermanas del emperador. Detrás, varias inscripciones alusivas a los personajes representados. Remata este cuerpo con el escudo imperial, rodeado por el collar del Toisón de Oro.
La misma estructura sigue el otro grupo escultórico colocado en el lado de la epístola. Está encabezado por la escultura de Felipe II, vestido también de armadura y manto, acompañado por Ana de Austria, su cuarta esposa, Isabel de Valois, su tercer esposa, el príncipe Carlos y la primera esposa del Rey, María de Portugal. Igualmente las paredes están cubiertas de inscripciones latinas y remata todo el conjunto con el escudo del Rey Felipe II y el Toisón de Oro.
Los dos grupos escultóricos se alojan bajo un arquitrabe con frontón triangular con columnas de orden clásico.