Der Bau des Bahnhofs begann 1879 nach Plänen des französischen Ingenieurs Émile Cacheliévre, auch wenn man ihn viele Jahre lang irrtümlich Gustave Eiffel zuschrieb. An diesem Projekt waren außerdem die spanischen Architekten Calleja, Espinal und Uliarte beteiligt. Cacheliévre verwendete ein neuartiges System, das von Henri de Dion auf der Pariser Weltausstellung 1878 vorgestellt worden war. Die ursprüngliche Konstruktion von de Dion ist verloren gegangen, so dass der Bahnhof einen zusätzlichen Wert als ältestes erhaltenes Bauwerk vom System "de Dion" besitzt. Die Metallkonstruktion der Haupthalle wurde durch das Unternehmen Fives-Lille hergestellt, genau wie für den ehemaligen Gare d’Orsay in Paris, und dann nach Madrid zur Endmontage gebracht. Das Bauwerk wurde am 30. März 1880 um 16:30 Uhr, nur 11 Monate nach Beginn der Arbeiten, durch König Alfons XII., begleitet von der Regierung unter Cánovas del Castillo, eröffnet.