Stationshuset byggdes 1867-1871 och invigdes 15 juli 1871 samtidigt med sammanbindningsbanan och arkitekt var Järnvägsstyrelsens chefsarkitekt Adolf W. Edelsvärd. Den är byggd i italiensk renässansstil och fasaden mot Vasagatan kröntes av statyer av Svea och Göta på varsin sida om det lilla riksvapnet, krönt av en kunglig krona, av konstnären Frans Oscar Theodor Berg. Dessa revs beklagligt nog vid renoveringen och utbyggnadnaden av stationshuset på 1950-talet. 1927 byggdes banhallen om till en stor vänthall, 119 meter lång och 13 och 28 meter bred med ett ellipsformat tak, 13 meter högt och 24 meter i spännvidd, taket hålls uppe av limmade träbjälkar. I söder byggdes en monumental trappa i kalksten som ledde upp till en gemensam vänthall med buffé. Det gamla 3 klass väntrummet gjordes om till en mycket modern 1 klassrestaurang enligt tidens mått med kylutrymmen i källarplan och en tunnel ledde från restaurangen till västra plattformen för att leverera mat och råvaror till tågen. I sydöstra hörnet byggdes den kungliga vänthallen ut, den fungerar fortfarande idag som väntsal för kungafamiljen.
