Rond 1870 werden de stations die door de Nederlandse staat werden gebouwd ontworpen volgens standaardontwerp (de waterstaatstations) Dit gold dus ook voor de lijn Den-Helder-Amsterdam. Oorspronkelijk was het dan ook de bedoeling dat het stationsgebouw een Waterstaatstation 1e klasse zou worden. Maar al snel was de opvatting dat Amsterdam als hoofdstad recht had op een stationsgebouw, dat was ontworpen door een gerenommeerd architect, en geen gebouw volgens standaardontwerp. Overigens had het bouwen volgens standaardontwerp in die tijd, rond 1872, al zijn langste tijd gehad.
Voor het ontwerp van het stationsgebouw werden twee architecten aangetrokken: P.J.H. Cuypers en A.L. van Gendt. Welke rol Van Gendt had is nooit helemaal duidelijk geworden. Wellicht heeft hij de viaducten aan weerszijden van het stationseiland ontworpen en heeft hij Cuypers geadviseerd bij het ontwerp.
Het duo kreeg in 1876 de opdracht een ontwerp te maken. Ook dit ging niet zonder slag of stoot; pas aan het einde van 1881 werd het definitieve ontwerp goedgekeurd.
Het stationsgebouw is onmiskenbaar een Cuypers ontwerp. Het gebouw bestaat uit een relatief klein middendeel en lange zijvleugels. Het middendeel steekt een steekt een eindje vooruit. Op de hoeken staan twee torens van ruim 45 meter hoogte.
De zijvleugels zijn asymmetrisch. De rechtervleugel bevat een fors eindgebouw. Dit eindgebouw is het Koninklijk Paviljoen met daarin de koninklijke wachtkamer. De linkervleugel heeft geen duidelijk eindgebouw en is daardoor iets langer.
Het Centraal Station is een van de allereerste stations in Nederland waarbij de perrons hoger liggen dan straatniveau. De perrons zijn te bereiken via drie tunnels. De middentunnel, vanaf de stationshal, was bedoeld voor vertrekkende reizigers. De overige twee tunnels, de oost- en westtunnel, kwamen uit aan het einde van respectievelijk de rechter- en de linkervleugel en waren bedoeld voor reizigers die op het Centraal Station aankwamen en het station verlieten. Overigens wordt deze indeling al jaren niet meer gehanteerd en heeft het "gewoon" drie reizigerstunnels.
In het voorjaar van 1882 ging de eerste van de in totaal 8687 palen de grond in. De bouw van het stationsgebouw verliep vlot. In het najaar van 1884 kon het gebouw al worden opgeleverd. Toch zou het nog vijf jaar duren voordat het stationsgebouw in gebruik werd genomen. Dit kwam vooral doordat de bouw van de perronkap grote problemen gaf.

Boven: De hoofdingang van het Centraat Station had oorspronkelijk vijf dubbele deuren.

Onder: Ansichtkaart van het Centraal Station van rond 1905

Onder: Het reliëf op de rechter toren.

Onder: De linker (westelijke) zijvleugel met luifel. Deze vleugel heeft, in tegenstelling tot de rechtervleugel, geen duidelijk eindgebouw.

Onder: Detail van de middengevel met het Rijkswapen en diverse wapens van de diverse Europese steden.