Az országgyűlés 1868. december 5-én megtartott 344. ülésén úgy döntött, tervet készíttet a pesti és budai pályaudvarok összekötésére, Pesten pedig egy központi pályaudvar építésére. Egyidejűleg felkérték gróf Mikó Imre közmunka- és közlekedésügyi minisztert a vasúti beruházások felügyeletére.

Az első elképzeléseknél szóba sem került a Baross tér. A "központi személyszállító indóház" helyéül a mai Rákóczi útnak és a Nagykörútnak a keresztezését, a volt Nemzeti Színházzal szemben levő területet jelölték ki. A Keleti tehát ugyanúgy a nagykörútra került volna, mint a Nyugati. A meglévő Losonczi pályaudvar (a mai Józsefvárosi pályaudvar) és az új indóház közé magasvasutat terveztek, azonban a nagyszabású tervet, még mielőtt kidolgozták volna részleteiben, elvetették.

Az 1873-as világválság megrendítette a monarchia gazdasági életét is, így elhalasztották a Keleti építését. A munka csak 1881-ben indulhatott meg. Budapest polgárai szinte nemzeti kérdésként kezelték a Keleti ügyét. A MÁV a terveket nem Bécsben rendelte meg, hanem saját mérnökeivel készíttette el. Rochlitz Gyula főmérnököt bízták meg, akinek tervei alapján elkészült eklektikus épület a maga idejében Közép-Európa egyik legkorszerűbb pályaudvara volt.

A főváros ragaszkodott hozzá, hogy a főhomlokzat a Kerepesi út tengelyébe kerüljön, ám ez alaposan megnehezítette a pályaudvar tervezését. Nyilvánvalóan akkor is végeztek talajtani vizsgálatokat, mégis kellemetlen meglepetés érte az építőket. Mocsaras, vizenyős réteg bukkant elő, amely jelentős többletmunkát és költségnövekedést eredményezett. A felvételi épületet cölöpökre kellett alapozni. A cölöpök alapanyagául a cédrust választották, mert ez a fafajta a víz hatására megkövesedik, és időállóvá válik. (A metró Baross téri állomásának építésekor a cölöpöket teljesen épségben találták.)

A pályaudvar vasszerkezetét Feketeházy János hídépítő mérnök tervezte. Az ötrészes, monumentális, reneszánsz mintázatú kapuzat és az épület valamennyi kovácsoltvas díszítése Jungfer Gyula európai hírű műlakatos keze munkája. A csarnokot Lotz Károly festményei, valamint Than Mór freskói ékesítik.

A főépület területe 16 800 négyzetméter, a fedett csarnok hossza 180 méter, szélessége 42 méter, magassága 31,4 méter. Az állomás vágányzata a megnyitáskor napi 52 vonat forgalmának lebonyolítására volt alkalmas. Az épület nemcsak szépségével, de impozáns méreteivel is lenyűgözte a látogatókat, nem is beszélve az akkor még újdonságnak számító villanyvilágításról.

Az elmúlt százhuszonöt esztendő alatt a Keleti "arculata" többször is átalakult. A II. világháborús pusztításokat 1948-ra tüntették el. A metróépítéssel egyidejűleg megváltozott a pályaudvar homlokzati része. Az 1960-as évek végén az állomás előtt aluljárórendszert hoztak létre. Az 1980-as évek második felében újabb nagyszabású felújítás történt. Ekkor állt üzembe például a teljesen automatizált váltóállító-rendszer.

Napjainkban a Keleti pályaudvar Magyarország legforgalmasabb közlekedési csomópontja, ahol naponta 410 vonat közlekedik. A 2-es metró mellett előreláthatóan 2011-re megépülő 4-es metró a Keleti kiemelkedő fontosságát csak tovább erősíti majd.