Op de plek van het huidige Utrecht Centraal neemt de Nederlandsche Rhijnspoorweg-Maatschappij in 1843 het eerste station van Utrecht in gebruik. Het station is in eerste instantie slechts een halte aan de Rhijnspoorweg van Amsterdam naar Arnhem. Het rechthoekige symmetrische stationsgebouw heeft over de gehele breedte twee verdiepingen met in het midden aan de straatzijde een puntgevel. Aan beide zijden staat een vrijstaand gebouwtje.
De spoorlijn krijgt ruim tien jaar later een zijtak van Utrecht naar Rotterdam. Ter gelegenheid van de nieuwe verbinding is het stationsgebouw voor de eerste maal vergroot. Aan beide zijden komt een lage zijvleugel. De vrijstaande gebouwtjes worden vervangen door twee nieuwe exemplaren.
In 1863 is de spoorlijn naar Amersfoort gereed en maakt ook de Nederlandsche Centraal Spoorweg Maatschappij gebruik van het station van de NRS. Het stationsgebouw is twee jaar later aanzienlijk uitgebreid. De twee vrijstaande gebouwtjes worden gesloopt om plaats te maken voor twee grote zijvleugels van twee verdiepingen. Beide vleugels hebben in midden bovendien een derde verdieping. Vanaf 1874 maken ook de treinen van de SS gebruik van het gezamenlijke station van NRS en NCS. In 1901 gevlogd door de meeste treinen van de HSM die vanuit Hilversum via Lunetten naar het NRS-station rijden.
De NCS opent in 1903 even ten noorden van het centraal station voor de lokaaltreinen naar Baarn en Zeist het Buurtstation. Het eenvoudige lage stationsgebouw op het eilandperron kent één lange gevel en één gevel die maar liefst vijfmaal verspringt om aansluiting te houden met de breedte van het perron. Beide stations zijn verbonden door een voetgangersbrug over de Leidse Rijn. Vanaf 1921 rijden ook de meeste treinen uit Hilversum rechtstreeks naar het Buurtstation. Halverwege de jaren ’30 wordt het emplacement aangepast en zijn de buurtsporen doorgetrokken naar de zijgevel van het hoofdstation. Het Buurtstation wordt hierbij gesloopt en het voormalige NRS-station wordt uitgebreid. In 1936 is de laatste grote verbouwing aan het stationsgebouw gereed. Voor het oorspronkelijke gebouw komt een vrijwel geheel glazen voorgevel met een opvallende golvende plattegrond. Het gebouw is in december 1938 door brand grotendeels verwoest. Een jaar later is het stationsgebouw vrijwel geheel herbouwd.
Eind jaren ’60, begin jaren ’70 wordt het gebied tussen de historische binnenstad en het station vrijwel geheel gesloopt om plaats te maken voor een winkelcentrum, kantoren, woonflats en muziekcentrum Vredenburg. Aan de andere zijde van het station is tegelijkertijd de Jaarbeurs flink uitgebreid. Beide stadsdelen worden over de sporen verbonden via een voetgangerstraverse. De traverse is in 1973 in eerste instantie met een knik om het stationsgebouw heen gebouwd. Een jaar later is het stationsgebouw alsnog gesloopt en komen alle stationsvoorzieningen op de hoogte van de traverse. Van een herkenbaar station is echter geen sprake meer. Eind jaren ’80 is de traverse aanzienlijk vergroot waardoor een echte stationshal ontstaat. De hal krijgt gebogen kappen die refereren aan de oude stationskap. Het tegelpatroon verwijst naar de sporen onder de hal. Doordat alle voorzieningen naar de zijkanten verschuiven, verdwijnt het zicht op de sporen en perrons. Ook van buiten is het complex nog steeds amper als station te herkennen. In 1996 is de hal verder naar het westen uitgebreid in verband met de komst van het zevende perron. In de loop der jaren is ook het sporenplan rond het station regelmatig vernieuwd. Zo komen er fly-overs aan de noordzijde van het station en zijn de verschillende baanvakken stap voor stap viersporig gemaakt.
Van 2010 tot eind 2016 is Utrecht Centraal opnieuw intensief verbouwd en ontstaat in fases een geheel nieuwe stationshal. Het station wordt bij de verbouwing weer een op zichzelf staand complex, los van Hoog Catherijne dat in diezelfde tijd grondig verbouwd wordt. Aan beide zijden van het station komt een stationsplein. Onder beide hooggelegen pleinen komt een grote fietsenstalling. Aan de centrumzijde komt boven het plein een opvallend hoog ‘bollendak’ dat de verbinding vormt met het vernieuwde Hoog Catherijne. Utrecht Centraal is intussen al decennialang het grootste openbaar vervoerknooppunt van Nederland. De nieuwe en grote stationshal biedt ruimte voor een groei naar 100 miljoen reizigers per jaar. Bovendien zijn de sporen rondom het station volledig ontknoopt en vernieuwd. De sporen zonder perron verdwijnen zodat diverse perrons breder gemaakt kunnen worden. Door het ontknopen van de sporen ontstaat ruimte voor meer treinen, die sneller het station in- en uitrijden.
Bij de reconstructie van het stationsgebied verdwijnen ook de restanten van de sierlijke ijzeren overkapping uit 1895. De verbouwingen in de jaren ’60, ’70 en ’80 zorgen er al voor dat een groot deel van de kappen verdwijnt. In 2010 en 2011 maken de laatste perronkappen plaats voor de nieuwe perronkappen met zonnecellen. Een deel van de kappen is elders in Utrecht als Perron 9 op het Berlijnplein weer opgebouwd.
Op de foto boven dit artikel een deel van station Utrecht Centraal met op de achtergrond het nieuwe stadhuis vanaf de Moreelsebrug op 28 oktober 2018.