Estado de las obras el 1 de junio de 1879 Fotografía: Herbert	Proyecto de la fachada del exterior

En la Exposición Universal de París en 1878, Henri de Dion presentó una novedad arquitectónica que consistía en una serie de cuchillos armados unidos a los pilares de sostén, fijos estos a una cimentación hundida. Émile Cacheliévre, el ingeniero francés encargado de la construcción de una estación en Madrid para la compañía del ferrocarril de Ciudad Real a Badajoz, aplicó esta innovación a su proyecto y diseñó un edificio de proporciones monumentales para la época, con un criterio muy funcional.

Vista del edificio de salidas de la estación. Fotografía: Laurent. Archivo: Ruiz Vernacci

Pero aunque la nueva estación debería ser la cabecera de la línea, el resultado se asemejaba más a una estación de paso: dos cuerpos de fábrica paralelos, uno mayor para la entrada de viajeros y otro más pequeño para la salida, entre los cuales se encuentran las cinco vías cubiertas por una estructura metálica construida por la firma Fives-Lille en Bruselas.
El resultado fue la estación más grande de Madrid en su tiempo y la primera definitiva. Después de casi dos años de trabajo y habiendo invertido casi dos millones de pesetas, el equipo integrado por Émile Cachelievre y los arquitectos españoles Calleja, Espinal y Uliarte dotó en 1880 a Madrid de una verdadera joya arquitectónica que con el paso del tiempo se ha convertido en la sede del Museo del Ferrocarril.