di sebelah barat stasiun ini, setelah perlintasan sebidang jl. yos sudarso, terdapat percabangan rel yang menuju depo milik pertamina.
di sebelah barat stasiun ini juga terdapat sebuah dipo lokomotif, di sebelah utara terdapat pt inka, serta di sebelah timur terdapat dipo kereta, gerbong, dan mekanik.
ke arah selatan terdapat percabangan jalur kereta api yang akan berakhir di slahung, ponorogo, namun sejak tahun 1992 relnya dinonaktifkan.
stasiun ini memiliki delapan jalur kereta api dengan jalur 2 sebagai sepur lurus.
jalur 1 digunakan khusus kereta api eksekutif, bisnis, ekonomi ac non pso, serta terkadang juga kereta api ekonomi ac pso, dan lokal; dari jalur 1 ini terdapat percabangan menuju slahung, ponorogo.
jalur 2 digunakan khusus kereta api ekonomi ac pso, jalur 3 untuk pemberhentian kereta api jika di jalur 1 dan/atau 2 ada kereta api.
jalur 4-7 khusus parkir kereta api barang dan kereta api yang baru keluar dari pt inka.
jalur 8 khusus pengisian bahan bakar kereta api serta memiliki jalur menuju dipo lokomotif dan turntable.
dari jalur 5-8 terdapat jalur menuju depo pertamina.
sejak tahun 2007, sistem persinyalan di stasiun ini telah diganti dengan menggunakan sistem persinyalan elektrik bertipe mis (modular interlocking system) yang sebelumnya digunakan di stasiun cikampek dan tiang-sinyal lampu/cahaya yang digunakan bertipe lampu led (light emitting diode) buatan pt len industri (persero).
sejak tanggal 24 juni 2016, stasiun ini telah menerapkan sistem check-in dan boarding pass seperti yang berlaku di bandara.
pada tahun 1832, kota madiun dikuasai oleh pemerintah hindia belanda dan menjadi wilayah berstatus karesidenan dan menjadi tempat tinggal orang-orang belanda dan eropa lainnya terutama yang berprofesi di bidang perkebunan dan perindustrian karena adanya pengembangan berbagai perkebunan dan pabrik di sekitar kota ini seperti perkebunan tebu dengan pabrik gula, perkebunan teh, kopi, tembakau dan lain-lain.
berkembangnya perkebunan dan pabrik pengolahan hasil perkebunan membawa akibat pada kebutuhan sarana pengangkutan, dalam hal ini kereta api menjadi pilihan yang paling efisien.
maka dibangunlah sebuah stasiun pada bulan januari 1897 oleh arsitek belanda frans johan louwrens ghijsels yang juga telah menjadi arsitek stasiun jakarta kota, dalam hal ini juga dibangun sebuah balai yasa lokomotif uap yang terletak di sebelah utara stasiun madiun.
pada bulan oktober 1898 stasiun ini mulai dioperasikan oleh pemerintah hindia belanda dan juga dibangun jalur ke selatan sampai stasiun slahung yang kini tidak aktif dan jalur barat/timur yang menuju ke solo balapan/kertosono.
jaringan rel kereta api di kota madiun diperkirakan dibangun oleh pemerintah hindia belanda sejak tahun 1885.
pada zaman dahulu madiun adalah tempat yang padat jalur kereta api, khususnya jalur kereta api tebu yang beberapa di antaranya terintegrasi dengan jalur kereta api madiun-slahung dan madiun-solo balapan, sehingga stasiun ini sangat padat.
stasiun madiun merupakan stasiun satu sisi dengan bangunan utama yang terletak sejajar dengan rel dan emplasemen.
sebagian besar bangunan stasiun, baik bangunan utama maupun emplasemen, telah mengalami renovasi sehingga penampilan keseluruhan stasiun ini bernuansa cukup modern.
pada saat itulah tahun 1979, hampir semua lokomotif uap tak beroperasi setelah adanya lokomotif diesel hidrolik maka balai yasa lokomotif uap ini dialihfungsikan pada tahun 1981 dengan menggantikan balai yasa lokomotif uap. sekarang perusahaan ini menjadi perusahaan skala besar dan satu-satunya di asia tenggara yang bergerak di bidang perkeretaapian sehingga produknya sudah dikenal di mancanegara.
hal tersebut menjadikan kota madiun merupakan kota yang sarat sejarah perkeretaapian, baik pada masa lalu, masa kini, dan yang akan menorehkan sejarah kereta api pada masa depan.
layanan kereta api
argo wilis, tujuan bandung via solo-yogyakarta-tasikmalaya dan tujuan surabaya via jombang
gajayana, tujuan jakarta via solo-yogyakarta-purwokerto-cirebon dan tujuan malang via blitar
bima, tujuan jakarta via solo-yogyakarta-purwokerto-cirebon dan tujuan surabaya bersambung malang via jombang
turangga, tujuan bandung via solo-yogyakarta-tasikmalaya dan tujuan surabaya via jombang
bangunkarta, tujuan jakarta via solo-semarang-cirebon dan tujuan surabaya via jombang
sancaka, tujuan yogyakarta via solo dan tujuan surabaya via jombang (eksekutif-ekonomi ac plus)
malabar, tujuan bandung via solo-yogyakarta-tasikmalaya dan tujuan malang via blitar (eksekutif-bisnis-ekonomi ac)
malioboro ekspres, tujuan yogyakarta via solo dan tujuan malang via blitar (eksekutif-ekonomi ac plus)
ranggajati, tujuan cirebon via solo-yogyakarta-purwokerto dan tujuan surabaya bersambung jember via jombang (eksekutif-bisnis)
mutiara selatan, tujuan bandung via solo-yogyakarta-tasikmalaya dan tujuan surabaya bersambung malang via jombang
kelas ekonomi ac plus
majapahit, tujuan jakarta via solo-semarang-cirebon dan tujuan malang via blitar
krakatau, tujuan jakarta bersambung merak via solo-yogyakarta-purwokerto-cirebon dan tujuan kediri
kelas ekonomi ac
matarmaja, tujuan jakarta via solo-semarang-cirebon dan tujuan malang via blitar
gaya baru malam, tujuan jakarta via solo-yogyakarta-purwokerto dan tujuan surabaya via jombang
brantas, tujuan jakarta via solo-semarang dan tujuan kediri
pasundan, tujuan bandung via solo-yogyakarta-tasikmalaya dan tujuan surabaya via jombang
kahuripan, tujuan bandung via solo-yogyakarta-tasikmalaya dan tujuan kediri
logawa, tujuan purwokerto via solo-yogyakarta dan tujuan surabaya bersambung jember via jombang
sri tanjung, tujuan yogyakarta via solo dan tujuan surabaya bersambung banyuwangi via jombang
ka ketel/angkutan bbm, dari dan tujuan rewulu atau surabaya
jadwal kereta api
berikut ini adalah jadwal kereta api di stasiun madiun per 1 november 2016 (revisi gapeka 2015).
no. ka ka tujuan kelas tiba berangkat
167/166 krakatau kediri (kd) ekonomi ac plus 00.43 00.50
103 malioboro ekspres yogyakarta tugu (yk) eksekutif &
ekonomi ac plus 01.08 01.15
56l bangunkarta surabaya gubeng (sgu) eksekutif satwa 01.13 01.20
172 matarmaja malang kotabaru (ml) ekonomi ac 02.16 02.30
100l malabar eksekutif, bisnis, &
ekonomi ac 03.02 03.08
44/45 bima surabaya gubeng (sgu) bersambung malang kotabaru (ml) eksekutif satwa 03.16 03.25
132a mutiara selatan bisnis 04.02 04.08
42 gajayana malang kotabaru (ml)
eksekutif satwa 04.16 04.33
176 brantas kediri (kd) ekonomi ac 04.40 04.50
150 majapahit malang kotabaru (ml)
ekonomi ac plus 05.00 05.10
50 turangga surabaya gubeng (sgu) eksekutif satwa 05.39 05.45
182 kahuripan kediri (kd) ekonomi ac 07.20 07.35
84a sancaka pagi surabaya gubeng (sgu) eksekutif &
ekonomi ac plus 09.01 09.07
5 argo wilis bandung hall (bd) eksekutif argo 09.05 09.10
165/168 krakatau jakarta pasar senen (pse) bersambung merak (mer) ekonomi ac plus 09.27 10.00
194/195 sri tanjung surabaya gubeng (sgu) bersambung banyuwangi baru (bw) ekonomi ac 09.58 10.18
83a sancaka pagi yogyakarta tugu (yk) eksekutif &
ekonomi ac plus 10.16 10.28
102 malioboro ekspres malang kotabaru (ml)
179 pasundan bandung kiaracondong (kac) ekonomi ac 11.05 11.12
188/189 logawa surabaya gubeng (sgu) bersambung jember (jr) 11.36 11.45
11040/10961 ranggajati cirebon kejaksan (cn) eksekutif &
bisnis 12.16 12.24
101 malioboro ekspres yogyakarta tugu (yk) eksekutif &
ekonomi ac plus 13.04 13.10
190l/187l logawa purwokerto (pwt) ekonomi ac 13.27 13.42
173 gaya baru malam jakarta pasar senen (pse) 14.21 14.32
11060/10985 ranggajati surabaya gubeng (sgu) bersambung jember (jr) eksekutif &
bisnis 14.25 14.39
175 brantas jakarta pasar senen (pse) ekonomi ac 14.49 15.15
181 kahuripan bandung kiaracondong (kac) 15.30 15.55
196/193 sri tanjung yogyakarta lempuyangan (lpn) 16.15 16.30
180 pasundan surabaya gubeng (sgu) 17.25 17.37
41 gajayana jakarta gambir (gmr) eksekutif satwa 17.59 18.07
6 argo wilis surabaya gubeng (sgu) eksekutif argo 18.05 18.10
55l bangunkarta jakarta gambir (gmr) eksekutif satwa 18.39 18.45
86a sancaka sore surabaya gubeng (sgu) eksekutif &
ekonomi ac plus 19.06 19.12
49 turangga bandung hall (bd) eksekutif satwa 19.10 19.15
46/43 bima jakarta gambir (gmr) 19.31 19.38
85a sancaka sore yogyakarta tugu (yk) eksekutif &
ekonomi ac plus 20.06 20.16
99 malabar bandung hall (bd) eksekutif, bisnis, &
ekonomi ac 20.48 20.55
131a mutiara selatan bisnis 21.35 21.46
171 matarmaja jakarta pasar senen (pse) ekonomi ac 21.54 22.07
174 gaya baru malam surabaya gubeng (sgu) 22.41 22.55
149 majapahit jakarta pasar senen (pse) ekonomi ac plus 22.53 23.15
104 malioboro ekspres malang kotabaru (ml)
ekonomi ac plus 23.13 23.20
berkas:kereta api madiun jaya 2015.jpg|[[kereta api madiun jaya ekspres]] non ac versi 2015 setelah langsir di stasiun madiun.berkas:id diesel loco cc 201-74r 050215 043 mn.jpg|[[cc201|lok cc 201-74r]] langsir di timur stasiun madiun yang berkabut.
2005berkas:stasiun madiun.jpg|tampak atas keseluruhan stasiun madiun, 2005berkas:kereta api turangga stasiun madiun.jpg|suasana stasiun madiun saat kedatangan [[kereta api turangga]].