A kiegyezés korában Pest-Budán öt pályaudvar volt. Az országgyűlés 1868. december 5-én úgy határozott, hogy tervet készíttet a pesti és budai pályaudvarok összekötésére, Pesten pedig a személyforgalom növekedése miatt egy központi pályaudvar építésére.
A Központi Személyszállító pályaudvart a Nyugatihoz hasonlóan eredetileg a Nagykörútra szánták, a mai Blaha Lujza térnél jelölték ki a helyét.
Ide rendkívül költségesen, egy másfél méter magas viadukton vezették volna be a síneket Józsefvárosból, ezért egy új területre esett a választás a Kerepesi út végén. A terveket végül két elhelyezési változattal készítették el a Magyar Királyi Államvasutak mérnökei, de az 1873. évi világválság miatt elhalasztották a kivitelezés megkezdését.
A Magyar Államvasutak csak 1881-ben a Kerepesi úti vámnál, a mai Baross térnél kezdte el építtetni az új pályaudvart. Az építkezést az épület főtervezője, Rochlitz Gyula, a MÁV főfelügyelője és építésze irányította, akinek a nevéhez fűződik a MÁV Andrássy úti főépülete, valamint az 1877-ben átadott első dunai vasúti összekötő híd is. A csarnok vasszerkezetét az Operaház tetőszerkezetét és a Szabadság hidat is tervező Feketeházy János hídépítő mérnök tervezte, a kivitelezés Kéler Napóleon irányítása alatt zajlott.
Alig fogtak hozzá a munkálatokhoz, máris kellemetlen meglepetés érte az építőket: vizenyős, lápos talajra bukkantak, ezért hagyományos alapozás helyett velencei mintára cölöpökre kellett állítani az épületet. A hosszadalmas és költséges munkálatok megtervezése és irányítása a norvég születésű Gregersen Guilbrand építési vállalkozó szakértelmével valósult meg.
Több mint 3000 darab, 15 méter hosszú cölöp viszi át a mélyebben fekvő, teherbíró altalajra az építmény terhét.
A cölöpök alapanyagául a cédrust választották, mert ez a fafajta a víz hatására megkövesedik és időállóvá válik.
Az 1960-as évek végén az M2-es és a 2010-es évek elején az M4-es metróvonal építésekor a cédrusfa cölöpöket teljes épségben találták.
A fővárosnak világvárosi jelleget kölcsönzött a Kerepesi út tengelyébe került épület reneszánsz stílusú, negyven méter magas főhomlokzata, melynek tetejét Mayer Ede és Brestyánszky Béla a vasút allegóriáját megjelenítő szoborcsoportja díszíti.
A szoborcsoport Vulcanust és Neptunuszt, a tűz és a víz istenét ábrázolja, akik között fogaskereket és gőzölgő edényt magasba emelő szárnyas nőalak áll mint a gőzvasút, a fejlődés szimbóluma.
A húsz méter széles kapuzat két oldalán egy-egy falfülkében a gőzgép feltalálójának, illetve a gőzmozdony tökéletesítőjének szobra áll: James Watt Stróbl Alajos, George Stephenson Vasadi Ferenc alkotása. Az ötrészes kapuzat oszlopainak tetejét Bezerédi Gyula bányászatot, ipart, földművelést és kereskedelmet jelképező szobrai díszítik. A reneszánsz mintázatú kapuzat és a többi kovácsoltvas-díszítés Jungfer Gyula munkája.
A Központi Személyszállító Pályaudvart nyitóünnepség nélkül adták át a nagyközönségnek 1884. augusztus 16-án, reggel 6 óra 10 perckor fogadta az első, Zimonyból (ma Szerbiában Belgrád városrésze) érkező utasait, az első vonat Miskolcra indult. Ekkor Európa egyik legkorszerűbb pályaudvara volt, az épület nemcsak szépségével és impozáns méreteivel nyűgözte le a látogatókat, hanem a technikai csúcsteljesítménynek számító elektromos világításával is, amelyet a Ganz gyár 70 ívlámpája és 644 izzója biztosított. Kezdetben napi 52 vonat indult és érkezett, az utasok száma az első évben elérte az egymilliót.
A Központi pályaudvar nem földrajzi fekvéséről kapta a nevét, hanem az Erdéllyel és a Balkánnal meglévő vasúti kapcsolatok miatt.
A főváros legforgalmasabb vasúti személypályaudvara az elmúlt száznegyven év alatt számos átalakításon esett át.
A második világháború alatt több bombatalálat érte, a végleges helyreállítás 1948 januárjáig tartott.
Az 1960-as évek végén a 2-es metró építésével egyidejűleg kialakították a metró és a pályaudvar közötti aluljárórendszert.
Az 1980-as évek második felében újabb nagyszabású felújítás történt. Ekkor állt üzembe többek között a teljesen automatizált váltóállító-rendszer. Az indulási csarnok födémszerkezete 2001-ben meggyengült, le kellett zárni a forgalom elől. 2004-re kicserélték a teljes födémszerkezetet és korszerűsítették a tetőt, 2006-ban kezdődtek meg a belső felújítások. A Lotz-terem 2008 nyarán nyílt meg az utasforgalom előtt. 2023 tavaszán korszerű és akadálymentesített utascentrum nyílt, melyben 11 pénztár, továbbá 15 jegyautomata található.
A Magyar Államvasutak Zrt. kiemelkedő jelentőségű pályaudvarának épülete 1988 óta a nemzeti kulturális örökség részeként a magyar állam tulajdonában lévő közlekedésépítészeti műemlék.
A többszöri átépítés és bővítés ellenére szinte eredeti formájában szolgálja ma is az utazóközönséget.
A főpályaudvar megnyitásának 140. évfordulójára a MÁV filmvetítéssel és kiállítással is készül.
A főépület területe 16 800 négyzetméter, a fedett csarnok hossza 180 méter, szélessége 42, magassága 31,4 méter. A vágánycsarnokot két oldalról eklektikus stílusú szárnyépületek egészítik ki. Az ötvágányú, 42 méter széles és 188 méter hosszú fogadócsarnok tetőszerkezete a maga korában világhírre tett szert a fényt átengedő üvegezésével, természetes szellőzésével. A vágánycsarnokba a Thököly út felőli indulási oldalon, a Lotz-csarnokon át juthatott az utazóközönség. A pompás, fényűző termet Lotz Károly Háború és béke, Bányászat, Kohászat, Kereskedelem, Hídépítés, Posta, Földművelés, Jólét és Than Mór A vasút allegóriája című freskója dísziti.