El proyecto definitivo de 1879 lo firma el ingeniero de la Compañía Biarez, francés como la mayoría de los que trabajan para las concesionarias de los ferrocarriles. El edificio de salidas, de concepción francesa, se ejecuta paralelo a las vías con fachada al Paseo de La Florida. La armadura metálica, obra del ingeniero Mercier en 1881, independiente del edificio, salva 40 m de luz con cuchillos Polenceau, solución que reduce a una única tornapunta sobre cada par. La necesidad de aumentar el número de vías y la Casa de Bombas hacen imposible el edificio de llegadas del paseo del Rey. En 1902 el ingeniero Grasset propone un edificio de llegadas perpendicular a las vías dando a la cubierta mayor longitud. En 1904, nuevo proyecto de Grasset prolongando la cubierta mediante dos naves de 13,50 m de ancho por 27 de alto, considerando innecesaria la nueva terminal, el edificio existente puede albergar ambos servicios con pequeñas modificaciones. En 1926 la Compañía es autorizada a construir nueva cabecera, destinada a salidas, y se modifica el primer edificio para reservarlo a llegadas, lo que cambia la tipología de la estación que pasa a tener planta en L. La obra tampoco sigue el modelo anterior, ya que presenta estructura de hormigón e imagen exterior dentro del historicismo clasicista y multitud de estilos en su interior, como el seudobarroco del salón de autoridades y la buena muestra art déco del bar. Destacan los elementos metálicos de la sala, ascensores, escaleras. Ejecutada en dos fases, la primera por Martínez Díez, arquitecto de la Compañía, sobre parte del edificio inicial, y la segunda, de mayor calidad, realizada por Fungairiño sobre proyecto de Muguruza. Parte del conjunto fue destruido entre 1936 y 1939. En el periodo 1985-1992, se construye la estación de CercaníAS RENFE y se inicia el intercambiador con el Metro, obra del Ministerio de Fomento, la Consejería de Obras Públicas, Urbanismo y Transportes de la Comunidad de Madrid y el Consorcio Pasillo Verde Ferroviario, con el ingeniero Fernández Casado. Entre 1992 y 1996 se amplían las líneas 6 y 10 del Metro, importantes obras para la ordenación del tráfico de Madrid, pero realizadas de espaldas a los valores arquitectónicos de los edificios históricos
