Inaugurada en 1857, la estación ha tenido tres diferentes edificios; su estructura actual fue originalmente construida por la firma francesa Schneider-Creusot.

[5]​[6]​ El edificio se ubica en la comuna homónima, al sur de la avenida Libertador Bernardo O'Higgins, entre avenida Exposición por el oriente y calle San Francisco de Borja por el poniente.

Por décadas fue la gran puerta de entrada a la capital desde el sur del país.

Además, la estación poseía otros dos edificios en los costados que funcionaban como oficinas administrativas,[19]​ un volumen de oficinas porticado, situado al oriente, y dos galpones que resguardaban los andenes.

[5]​ Esta transformación fue influida por el entonces senador por Santiago y Coquimbo, Benjamín Vicuña Mackenna.

[30]​ En 1936 se había iniciado la construcción del túnel Matucana, obras que terminaron en 1944.

Durante la década de 1930 existió un desvío hacia la actual ex-fábrica Besa.

[33]​ Debido al proceso de modernización emprendido por EFE, y enmarcado en el Plan Trienal 2003-2005, se ejecuta una remodelación de menor envergadura que las anteriores, que en lo medular consistió en retraer las vías 50 metros, dejando un área libre tras las rejas del frontis donde se ubican el acceso al Metro, boleterías y escaños.

[38]​ Se estimó que el proceso de construcción debería durar 2 años.

Se ha diseñado que el nivel de superficie cuente con un nuevo acceso desde la Calle Exposición.

Habrá un segundo acceso de pago que da hacia los andenes superficiales.

Este tramo tunelado —incluyendo los andenes y accesos a pasajeros— fue licitado en octubre de 2024.

[67]​ Violeta Parra escribe las décimas «Llega el tren a l’Alamea»,[68]​ Francisco Coloane escribe «La ciudad bajo los trenes»,[69]​ Nicanor Parra escribe en su poemario Hojas de Parra el poema «Estación Central» y «Proyecto de tren instantáneo (entre Santiago y Puerto Montt)».