A Nyugati pályaudvar főépületét az 1846. július 15-én megnyitott Pesti indóház helyén építtette fel a társaság új tulajdonosa, az Osztrák Államvasút Társaság. A historizáló stílusú épület programterveit a társaság mérnöke, August de Serres készítette. Az építési munkák fővállalkozója a Gustave Eiffel által alapított Compagnie de Eiffel et Cie volt. A legjelentősebb alvállalkozói feladatokat a francia Schneider, a Fives-Lille és a Vitkovic-féle magyar vasmű szakemberei végezték. A munkákat Gyengő László mérnök, Eiffel cégének magyarországi képviselője koordinálta.
Magyarországon itt alkalmaztak először vasból készült épületszerkezeteket. A 132 m hosszú, 42 m széles és 25,85 m magasságú vágánycsarnok szerkezeti terveit Théophile Seyrig német származású belga mérnök készítette, a gyártásban a budapesti Ganz gyár is közreműködött. Az ötvágányos csarnokot az indulási és érkezési funkcióknak helyet adó oldalszárnyak közé építették. A vágánycsarnok két végét nagyfelületű üvegfallal zárták le, és a körút felől az oldalszárnyak saroktornyokkal szegélyezett, emeletes épülettömbjével fogták közre.
Az indulási oldal középpontjában helyezték el a nagy belmagasságú pénztárcsarnokot, amelybe a létesítmény és a postaépület között kialakított park felől lehetett bejutni. E tér szépségét a pénztárportálokat magába foglaló faburkolat, a pénztárakat egymástól elválasztó kovácsoltvas korlát- és lámpasor, az öntöttvas burkolású acél oszlopok, a nagy felületű fém ablakok, valamint a mennyezet vízszintes felületű üveg felülvilágítójának együttes látványa adja. A várótermeket, a poggyászmegőrzőt és a külön épülettömbben elhelyezett éttermet az innen két irányba kiágazó folyosón át lehetett megközelíteni.
Az épület érkezési szárnyába a pályaudvar működtetéséhez szükséges helyiségek kerültek. A vágányok felőli végén elhelyezkedő pavilon a királyi váró épülettömbje, amelyben egy-egy reprezentatív helyiséget alakítottak ki a király, illetve a királynő és kíséretük részére.
A második világháború harcai során a pályaudvar főépületében csak kisebb károk keletkeztek, amelyeket az 1950-es évek elején helyreállítottak.
A vágánycsarnok tetőszerkezetének rekonstrukcióját 1976-ban kezdték meg, Sigrai Tibor okleveles híd- és szerkezetépítő mérnök tervei alapján. A felújítási munkák az épület oldalszárnyait is érintették, ahol részbeni födémcserét és épületgépészeti korszerűsítést hajtottak végre Siraki Lóránd Ybl-díjas építész irányításával. Ugyanekkor történt a pályaudvar és a metróállomás közötti kapcsolatot biztosító aluljáró építése, valamint az 1-6 és a 11-12 vágányok peronjainak lefedése.
A várótermeket az 1990-es években felszámolták, helyükön alacsony színvonalat képviselő kereskedelmi egységek működtek a 2000-es évek közepéig. Ezzel szemben a vasúti étterem helyén 1990-ben kezdte meg működését a világ egyik legszebb McDonald's éttermeként számontartott gyorsétterem.
A pályaudvar történetébenaz 1990-es végén következett be újabb jelentős fordulat, amikor a Váci úttal határos részén felépítették a Westend City Center épületkomplexumát, ráadásul a bevásárlóközpont parkolóházának egy részét és tetőkertjét az 1-6 vágány fölé helyezték.
A 2020-ban megkezdett, legújabb részleges felújítása az épületegyüttes tetőszerkezetét, a homlokzat függönyfalait és a pénztárcsarnokot, a vasúti felsővezetékeket, a csapadékvíz-elvezető hálózatot és utastájékoztatási rendszerét érinti.
Elegancia és művészet
Az 1884. augusztus 16-án megnyitott Keleti pályaudvart a Magyar Királyi Államvasutak építette saját szakemberei, Rochlitz Gyula építész és Feketeházy János hídépítő mérnök tervei alapján eklektikus stílusban.
A hatalmas létesítmény főépülete három nagy tömbből áll: az induló és érkező forgalmat kiszolgáló két oldalszárnyból és az ezek között elhelyezett, 180 m hosszú, 42 méter széles és 40 métert meghaladó belmagasságú, ötvágányos vágánycsarnokból.
A vágánycsarnok alapozásához 3 ezer db vörösfenyő cölöpöt használtak fel. A palafedéssel ellátott tetőzet tartószerkezetét hegesztett acél ívtartókból készítették. A hatalmas tér végeit légies üvegfalakkal zárták le. A Rákóczi útra néző üvegfalba beépített kapuzat négy oszlopának tetején, a kőbábos korlát között egy-egy allegorikus szobor, félköríves részén pedig egy óra került elhelyezésre. A szobrok a vasút nehéz- és könnyűiparral, mezőgazdasággal és kereskedelemmel való kapcsolatát szimbolizálják. Alkotójuk Bezerédi Gyula szobrász volt.
Az 1940-es évek elején eltávolított kőalakokat 2001-ben a Gyurcsek Ferenc és Janzen Frigyes szobrászok által készített hasonmás alkotásokkal pótolták. Az üvegfalat szegélyező saroktornyok szoborfülkéibe a gőzgép (James Watt) és a gőzmozdony (George Stephenson) feltalálóinak szobrát helyezték, amelyeket Strobl Alajos és Vasadi Ferenc szobrászok készítettek. Az épület főhomlokzatának középső részét a homlokzat tengelyében elhelyezett szoborcsoport és kőbábos mellvéd koronázza. Az eredetileg bádogból készített, "A gőz születése" című kompozíciót Mayer Ede és Brestyánszky Béla szobrászok készítették, Fessler Leó vázlatai alapján.
A Thököly út felőli indulási oldal az utasok fogadása, a jegyváltás és poggyászfeladás, a vonatra való várakozás, illetve az állomáson üzemeltetett vendéglátás céljára lett kialakítva. A Kerepesi út felőli érkezési oldal ezzel szemben az utasok épületből való gyors kivezetését, a poggyászkiadást és a vasútüzemi funkciók elhelyezését biztosította. A vágánycsarnokkal azonos hosszúságú, szimmetrikus kialakítású oldalszárnyak homlokzati látványának meghatározó eleme a középső, 20 métert meghaladó belmagasságú be- és kijárati csarnok monumentális tömbje. Tekintélyes méretüket a kétoldalt hozzájuk csatlakozó földszintes részek és az emeletes saroktömbök ellensúlyozzák.