Het Centraal Station (Stationsplein 9-33) verrees in 1881-'89 op een daartoe aangeplempt eiland in het IJ. Al in 1864 was er een plan voor een station op een eiland in het open havenfront, maar pas in 1869 werd daartoe besloten.
Na de aanplempingswerkzaamheden in 1870 kwam de spoorverbinding in 1880 gereed met hoge taluds en met viaducten voorzien van openingen voor de scheepvaart.Het imposante station in feite een dubbel kopstation werd verwezenlijkt naar plannen van P.J.H. Cuypers, daarbij geassisteerd door A.L. van Gendt als constructeur. Na een eerste ontwerp (1876) werd Cuypers bij het project betrokken en na enige vertraging wegens funderingsproblemen was zijn definitieve ontwerp in 1881 gereed. Dit neogotische ontwerp vertoont ook invloeden uit de midden-16de-eeuwse Nederlandse architectuur (vroege renaissance), zoals hij die ook toepaste bij zijn ontwerp voor het Rijksmuseum.
Het langgerekte stationsgebouw heeft een door torens geflankeerde middenpartij met de hoofdingang en een grote, hoge vertrekhal. De rechtertoren heeft een uurwerk met wijzerplaat, de linkertoren geeft de windrichting aan op een windroos. Aan weerszijden van de middenpartij bevinden zich lange vleugels met vooruitspringende gevelpartijen. In deze vleugels zijn naast diverse dienstruimten en kantoren onder meer ook de wachtkamers (drie klassen), een eetzaal en de restauratie ondergebracht. Het oostelijk hoekpaviljoen bevat de koninklijke wachtkamer met een hoofdingang aan het Stationsplein en een verguld hekwerk aan de perronzijde. In het veel eenvoudiger uitgevoerde westelijk hoekpaviljoen woonde de stationschef.
Bij het uitgebreide decoratieprogramma van dit rijk versierde station werd Cuypers geadviseerd door J.A. Alberdingk Thijm en jhr. V. de Stuers. Aan de decoraties werd gewerkt door F. Vermeylen (beeldhouwwerk), L. Jünger (straatreliëfs), M.
Noppeney (stenen portretten), G. Sturm (wandschilderingen), M. van Langendonck en E. Roskam. De geëmailleerde tegels werden geleverd door de firma Villeroy & Boch, de onderdelen in geëmailleerde lava (waaronder de wijzerplaten) door de Parijse firma F. Gillet. Tijdens recente restauraties zijn de interieurdecoraties, waarvan veel door latere verbouwingen aan het zicht was onttrokken, zoveel mogelijk hersteld.
De stationsoverkapping werd in 1884-'89 naar plannen van L.J. Eymer opgericht met vijftig geklonken boogspanten en kreeg een voor die tijd enorme spanwijdte van 45 meter en een lengte van ruim driehonder meter, waarmee het toen de langste kap ter wereld was. In 1922 werd een 34 meter brede tweede overkapping toegevoegd. Van de lagere goederenvleugels (circa 1889) resteert weinig meer. De oostelijke is vervangen door het met expressionistische details uitgevoerde pakketpostgebouw (Stationsplein 5-7; 1923, J.Th.J. Cuypers).
Het steeds toenemende reizigersverkeer leidde en leidt nog steeds tot ingrijpende wijzigingen van het stationsgebouw. De oorspronkelijke vijf doorgangen tot de centrale hal zijn vervangen door twee veel bredere toegangen (1954, H. Scheltema). De hal zelf en de centrale tunnel naar de perrons zijn tussen 1976 en 1985 vergroot (M.W. Markenhof). In 1988 is de hal aan de zijde van het IJ gemoderniseerd en heeft men de overkapping van de sporen aan die zijde vernieuwd.
In 2000 is de brede westpassage tot stand gekomen. Verdere wijzigingen en uitbreidingen van het stationsgebouw ten behoeve van de noord-zuidlijn van de metro en de herinrichting van het stationseiland zijn in volle gang (masterplan bureau Benthem & Crouwel, gereed 2012).
