O campeão mundial Norris, que perdeu a maior parte do segundo treino livre na sexta-feira devido a uma troca forçada de câmbio, fez o melhor tempo com 1min31s824 segundos, superando o italiano de 20 anos por apenas 0,011 segundo.
Max Verstappen, da Red Bull, ficou em terceiro, 0,140 segundo atrás, seguido por Lewis Hamilton, da Ferrari, e Charles Leclerc, com George Russell em sexto no segundo carro da Mercedes.
Oscar Piastri foi o sétimo com o segundo carro da McLaren, à frente de Liam Lawson no segundo carro da Red Bull, Franco Colapinto, da Alpine, e o novato da Racing Bulls Arvid Lindblad.
Norris, que havia descrito o novo circuito híbrido de alto risco de Madri como "tipo Mônaco turbinado", ficou encantado e surpreso com o resultado.
"Que volta. Linda. Parabéns, pessoal. Talvez tenha sido a melhor da minha vida... Isso me deixou feliz," disse ele no rádio do time.
Ele ainda disse que se sentiu "chocado e um pouco surpreso" ao conquistar sua terceira pole do ano antes de ser parabenizado por Antonelli. "Foi muito apertado e parabéns ao Lando por uma volta incrível," disse ele.
"Foi uma boa volta e foi o máximo que conseguimos fazer," disse Verstappen, que ficou 0,049 segundo à frente de Hamilton, que havia ficado na pole provisória após as primeiras tentativas e quase encerrou sua sequência de 72 corridas sem pole desde que conquistou a 104ª na Hungria em 2023.
A sessão começou com a notícia de que Oliver Bearman, da Haas, não participaria após o acidente no treino final, e que Hamilton estava pronto para correr após reparos rápidos em sua Ferrari, sem sofrer punição por ignorar a ordem de parar depois do acidente.
O calor era intenso quando a ação do Q1 começou, com os sete primeiros separados por apenas três décimos atrás da melhor volta de Russell em 1min33s211, enquanto, para decepção da torcida local, os únicos dois espanhóis foram eliminados.
Carlos Sainz foi o 17º com a Williams e ficou fora do corte, à frente de Fernando Alonso, da Aston Martin, os dois Cadillacs, Bearman e Lance Stroll, que não conseguiu registrar um tempo competitivo no segundo carro da Aston Martin.
O ritmo aumentou no Q2, com Verstappen marcando logo de cara 1min32s557, baixando para 1min32s431 na segunda tentativa, superando Antonelli e as duas Ferraris.
Os dois Audis, Esteban Ocon, da Haas, Pierre Gasly, da Alpine, Yuki Tsunoda, da Racing Bulls, e Alex Albon, da Williams, ficaram fora do top 10. Foi o melhor resultado de Ocon em classificações desde a etapa do Japão, em março.
Hamilton, buscando sua sétima pole na Espanha e a primeira em três anos, liderou as primeiras tentativas com 1min32s079, superando Antonelli por 0,061, mas não conseguiu segurar os rivais na segunda volta – Antonelli e depois Norris assumiram a ponta nos segundos finais.
Norris acabou garantindo a pole com 1min31s824, conquistando sua segunda pole na Espanha e a 19ª da carreira, com os quatro primeiros, de quatro equipes diferentes, separados por apenas 0,19 segundo.