Reconstruite et rouverte pour l'Exposition internationale de 1929, les deux bâtiments monumentaux qui composent la gare ont été conçus par l'architecte Pedro Muguruza et inaugurés par le roi Alfonso XIII. Ils entourent les voies ferrées en forme de « U ». Dans l'ensemble, la gare fait de haut et de long. Elle a été fermée pour rénovation à partir entre 1988 et 1992, puis rouverte à temps pour les Jeux olympiques de 1992.