Elle a été de même appelée Estación del Norte pendant plusieurs années car elle fut construite par la Compañía de los Ferrocarriles del Norte (de capital français) en tant que tête de ligne ferrée qui unissait Madrid à la frontière française.

L'édifice de la gare est un exemple de l'architecture moderniste de la fin du XIXe siècle. Construit par les architectes français Bairez, Grasset et Ouliat en 1879, il présente une façade flanquée par deux tours. Son style est historiciste. À l'intérieur, son hall est la pièce la plus remarquable.

Après avoir perdu son rôle de gare de chemin de fer, la gare a été fermée pendant de nombreuses années jusqu'à sa réouverture après avoir subi une rénovation complète. Aujourd'hui, elle représente une connexion importante de transports avec des arrêts de métro et un échangeur d’autobus urbains, interurbains et longue distance, mais elle est aussi devenue un centre de culture et de loisirs ainsi qu'un centre commercial avec toutes sortes de boutiques et de restaurants.