Проектирование и строительство нового железнодорожного вокзала в Екатеринбурге в начале ХХ века было обусловлено резко увеличившимся потоком пассажиров по Транссибирской магистрали. Старое здание (ныне Музей истории, науки и техники Свердловской железной дороги) уже не справлялось с нагрузкой. По замыслу архитектора Константина Бабыкина, новый вокзал должен был подчеркнуть растущую промышленную мощь Урала и его центра — Екатеринбурга.

Здание в модернистско-функциональном стиле было простым и строгим, но при этом представляло собой сложное в инженерном отношении сооружение. Поскольку станционные пути проходили по насыпи, был проложен тоннель. Со стороны привокзальной площади здание имело высокий этаж, а со стороны перрона — два низких.

Первая реконструкция железнодорожного вокзала была связана со значительным ростом населения Свердловска в 20-х годах прошлого столе­тия и резким увеличением пассажиропотока. В конце 30-х годов здание было надстроено вторым этажом, украшено колоннадой, приобрело величественный, монументальный облик в стиле неоклассики и стало соответствовать понятию «ворота города».

В 1961—1962 гг. вокзал был расширен за счет двух пристроек с арочными проходами, был удлинен пешеходный тоннель, а в 1995 году в соот­ветствии с проектом развития станции Свердловск-Пассажирский с западной стороны действующего вокзала достроено третье здание.

В 1997 году было принято решение о капитальном ремонте, позволяющем сохранить исторически сложившийся облик вокзального комплекса. Рационально-планировочные решения позволили увеличить площадь залов ожидания в 1,5 раза.

Масштабные работы были проделаны в преддверии Чемпионата мира по футболу 2018 года: вокзал стал гораздо комфортнее и безопаснее.