El edificio de la estación de Atocha, construido para la compañía ferroviaria MZA (Madrid a Zaragoza y Alicante), fue inaugurado el 9 de febrero de 1851 con el nombre de Estación del Mediodía (del Sur). Era la primera estación de ferrocarril de Madrid.Un incendio destruyó gran parte de su estructura. En 1888 comienzan las obras de la nueva estación, bajo la dirección de Alberto de Palacio, un colaborador de Gustave Eiffel, las cuales duraron cuatro años. La nave tenía 152 m de largo, y 40 m de luz. La cubierta de hierro se construyó en Bélgica con el sistema de estructura rígida tipo De Dion. La estructura quedó cerrada por el extremo que da a la glorieta del Emperador Carlos V, en donde se halla la característica fachada. Está considerada una obra de arte de la arquitectura ferroviaria decimonónica.
La última ampliación y remodelación se realiza entre los años 1985 y 1992 (fecha en la que la antigua estación queda fuera de servicio) y es obra del arquitecto Rafael Moneo. El objetivo de la remodelación era cuadruplicar la capacidad de la estación creando un gran intercambiador que acogiera tanto trenes de cercanías y largo recorrido —entre ellos los trenes de alta velocidad a Sevilla—, como metro, autobuses y un aparcamiento. Los nuevos edificios fueron diseñados como una nueva terminal situada detrás de la antigua estación, con poca altura para que no compitiesen con aquella. El viejo edificio, ya sin andenes, fue convertido en un espacio comercial con tiendas, bares, la discoteca Ananda y un jardín tropical cubierto; este último, se encuentra donde antes llegaban los trenes. No es el único caso de bóveda utilizada para otros fines, como el caso de la Estación d'Orsay de París.
La estación se encuentra en el barrio de Atocha del distrito madrileño de Arganzuela. La fachada original de la marquesina histórica del siglo XIX da a la Plaza del Emperador Carlos V, nudo viario de primer orden de la ciudad al ser punto de intersección de varias arterias urbanas (Calle de Atocha, Paseo del Prado, Paseo de la Infanta Isabel, Avenida de la Ciudad de Barcelona, Calle de Méndez Álvaro, Paseo de las Delicias, Paseo de Santa María de la Cabeza y Ronda de Atocha). El complejo ferroviario se extiende concretamente en la porción de terreno delimitado al norte por la Avenida de la Ciudad de Barcelona y al sur por la Calle de Méndez Álvaro, prolongándose en dirección SE hasta la Calle del Comercio donde se sitúa las últimas instalaciones de la playa de vías.
La zona más cercana a la plaza está ocupada por el edificio decimonónico. Tras él se sitúa la ampliación diseñada por Rafael Moneo formada por el nuevo edificio terminal (Madrid-Puerta de Atocha), y el intercambiador de Cercanías (Atocha-Cercanías), cuya cubierta está ocupada por el aparcamiento de la estación, y de metro (estación de Atocha Renfe), que se sitúa bajo la Avenida Ciudad de Barcelona. Los dos elementos más característicos de la ampliación son la torre del reloj que integra las nuevas instalaciones con el viejo edificio, y el edificio de planta circular que sirve de acceso a la zona de Cercanías. Los accesos a la estación se realizan bien por la Avenida de la Ciudad de Barcelona o bien por la Calle de Méndez Álvaro. Ambos accesos se encuentra comunicados a través de la zona de estacionamiento de taxis que atraviesa el complejo transversalmente en el espacio que queda entre el edificio histórico y la ampliación de Moneo.
La zona más cercana a la plaza está ocupada por el edificio decimonónico. Tras él se sitúa la ampliación diseñada por Rafael Moneo formada por el nuevo edificio terminal (Madrid-Puerta de Atocha), y el intercambiador de Cercanías (Atocha-Cercanías), cuya cubierta está ocupada por el aparcamiento de la estación, y de metro (estación de Atocha Renfe), que se sitúa bajo la Avenida Ciudad de Barcelona. Los dos elementos más característicos de la ampliación son la torre del reloj que integra las nuevas instalaciones con el viejo edificio, y el edificio de planta circular que sirve de acceso a la zona de Cercanías. Los accesos a la estación se realizan bien por la Avenida de la Ciudad de Barcelona o bien por la Calle de Méndez Álvaro. Ambos accesos se encuentra comunicados a través de la zona de estacionamiento de taxis que atraviesa el complejo transversalmente en el espacio que queda entre el edificio histórico y la ampliación de Moneo.
