Samferdselsminister Oscar Puente kunngjorde det ambisiøse målet mandag.
For å få kutte reisetiden med en tredel må togene kjøre med en fart opptil 350 kilometer i timen, noe som vil være den høyeste toghastigheten i Europa.
Hvert år reiser rundt 15 millioner mennesker med tog mellom Madrid og Barcelona, en strekning på 506 kilometer.
Til sammenligning er det 482 kilometer mellom Oslo og Bergen via Drammen og drøyt 550 kilometer mellom Oslo og Trondheim via Gardermoen og Dovre.