La estación surge como un embarcadero construido por la empresa MZA (Compañía del Ferrocarril de Madrid a Zaragoza y Alicante) siendo inaugurado en 1851. Se trataba de la primera estación de tren de Madrid y era cabecera de la línea Madrid-Aranjuez. Un incendio, acaecido en 1864, destruyó gran parte de la estructura de la cubierta de madera debiéndose construir por Real Orden una nueva edificiación. Tras el proyecto de Gerardo de la Puente de 1883 que no llega a construirse, Alberto de Palacio Elissagüe presenta un proyecto en 1888 que es aprobado un año después, con la condición de aumentar la longitud de los andenes cubiertos en 25 metros. La nueva estación constaba de dos edificios de entrada y salida de viajeros paralelos donde se apoyaría la estructura metálica que cubriría una gran nave destinada a albergar los andenes y las vías. Del diseño y cálculo de la gran estructura metálica de tipo "De Dion" se haría cargo el ingeniero francés Henri de Saint-James. Fue realizada en Bélgica, siendo una de las estructuras de este tipo más grande de europa construidas en aquel momento. Los dos cuerpos laterales, construidos en ladrillo, piedra y cerámica, son rematados por una serie de escudos correspondientes a las provincias y una estructura metálica en la que aparece el nombre de la Compañía. El "muro cortina" metálico con decoración modernista que sirve de cerramiento a la glorieta del Emperados Carlos V es coronado por un globo terráqueo flanqueado por dos grifos. La nueva estación, llamada Estación del Mediodía, fue inaugurada el 8 de diciembre de 1892, año de conmemoración del IV centenario del descubrimiento de América, y estuvo en funcionamiento hasta 1988. Debido al aumento de viajeros a lo largo del siglo XX, se hizo necesario añadir edificios e instalaciones ferroviarias adyacentes. Algunas obras realizadas en estos momentos fue la conexión de la estación con la línea 1 de metro (1921), electrificación de los trenes (1957) y el llamado "tunel de la risa" que debía conectar la estación con Chamartín (1967).
Entre 1985 y 1992 Rafael Moneo ejecuta una ampliación de la estación identificada por el edificio circular de ladrillo con cúpula rebajada que incluye intercambiador para trenes, estación de metro, autobuses y aparcamiento; al tiempo que realiza la rehabilitación del edificio de la antigua estación en colaboración de Gabriel Ruiz Cabrero quien construye la marquesina y Emilio Tuñon y Javier Revillo encargados de convertir la antigua estación en vestíbulo y jardín-invernadero.
