Het stationsgebouw van Leeuwarden is oorspronkelijk een waterstaatstation van het type 3e klasse. Het werd ongeveer gelijktijdig met die van Harlingen en Alkmaar gebouwd. Maar al vrij snel na de opening bleek het station te krap bemeten en moest het worden uitgebreid.
Rond 1868 werden de zijvleugels verlengd en verbreed. Hierdoor stonden ze zijvleugels behoorlijk naar voren ten opzicht van het middendeel. Door middel van een grote luifel boven de ingang werd dit gemaskeerd.
De grootste verandering van het station vond plaats rond 1890, als Leeuwarden een belangrijk spoorwegknooppunt wordt. Er werd een enorm groot perron aangelegd met 5 kopsporen en een langspoor. Op dit perron werden diverse houten perrongebouwtjes gebouwd in art-nouveau stijl. Het perron wordt overdekt door twee perronkappen. Hierdoor lijkt het perron op een groot binnenplein. Deze perronkappen, met de kenmerkende sikkelvormige spanten, zijn één van de allerlaatste gietijzeren kappen die in Nederland zijn gebouwd, en is de enig overgebleven kap in haar soort. Ook het stationsgebouw wordt gewijzigd. Tegen de zijleugels komen eindgebouwen en de grote luifel boven de ingang maakt plaats voor een voorbouw, zodat het middendeel en de vleugels weer (min of meer) op één lijn komen te staan.
In 1906 werd het complete middendeel afgebroken een vervangen door een nieuw, hoog ingangsgebouw. Wie dit imposante gebouw ontworpen heeft is niet bekend. Aan de buitenkant vallen de grote halfronde vensters op. Aan de voorgevel is, onder de dakrand, een gevleugelde wiel geplaatst.
De laatste grote verbouwing vond plaats rond 1924 als de linkervleugel wordt gewijzigd. Daarbij wordt het kleine fronton halverwege de gevel verwijderd.
Na 1925 is het stationsgebouw aan de buitenkant nauwelijks meer gewijzigd. Wel wordt het station een paar keer gemoderniseerd. Het laatst gebeurde dit in het jaar 2000.

Boven en onder: Station Leeuwarden met het in 1906 gebouwde ingangsgebouw. Boven het halfronde venster is een reliëf van een gevleugeld wiel te zien. De rechtervleugel heeft nog een klein fronton (foto onder, meteen rechts van de ingangsluifel), die in de linkervleugel werd tijdens een verbouwing in 1924 verwijderd.

Onder: In de stationshal zijn zowel oude tegeltableaus als moderne mozaïeken te vinden...

Onder: Zicht op twee (van de vijf) kopsporen in een tijd dat de "Wadlopers" nog alom op het station vertegenwoordigd waren. Op spoor 1 (rechts) staat de trein naar Stavoren gereed, daarnaast de trein voor de richting Harlingen.

Onder: De lay-out van de perrons en de sporen op dit station is uniek in Nederland. Het station beschikt feitelijk over één groot perron, waarop in totaal kopsporen en een langsspoor aansluiten. Het centrale deel van het perron wordt overdekt door twee bijzondere boogkappen. Ook zijn hier twee fraaie houten perrongebouwtjes te vinden. Deze gebouwtjes en de overkapping werden beiden in 1890 gebouwd.