Fué proyectada por los arquitectos Carlos Ferrater y José María Valero, y el ingeniero Juan Broseta. Es una estación con un gran espacio interior de más de 600 metros de largo por ciento ochenta de ancho, configurado por tres vestíbulos que organizan las circulaciones de los viajeros a través de una zona de salidas y otra de llegadas y el "transfer", a través de un acceso central subterráneo. El objetivo, cuando la estación esté plenamente operativa, es que en ese gran espacio interior convivan los diferentes medios de transporte con los usuarios y viajeros que utilizan la estación. Dispone de una superficie de 188.000 metros cuadrados repartidos entre los servicios destinados a visitantes en general y los espacios ocupados directamente para funciones de transporte. Sólo para el transporte ferroviario cuenta con diez andenes con una longitud de 400 metros cada uno.
Uno de los elementos más novedosos de este proyecto es su cubierta, que desde la lejanía ofrece un perfil insólito con sus grandes arcos en diagonal sobre el cuerpo del edificio, una cubierta de tetraedros que captan la luz y su gran dimensión, rememorando una catenaria invertida.
La cubierta principal tiene una superficie de 40.000 m2 y está compuesta por una malla triangular a modo de tablero de ajedrez, de triángulos alternos de luz y de sombra, que dotan a la estación de luz natural. En la zona central de andenes la altura del techo llega a ser de 30 metros, en una zona donde no existe ni un solo pilar que sustente los 40.000 m2 de techo plagado de lucernarios dispuestos en forma de malla triangular.
Obtuvo el Premio Brunel en el año 2005 en su 22ª edición.