La Estación de Atocha fue inaugurada en 1851 como una simple estación de embarcadero exclusiva para la Casa Real, aunque más tarde se amplío al público en general y sobre todo, al transporte de mercancías convirtiéndose en la llamada Estación del Mediodía, pero el continuo crecimiento de pasajeros de larga, media y corta distancia provocó la ampliación y la construcción del conjunto ferroviario que hay en la actualidad.
A lo largo del siglo XX, la demanda de viajeros hacia otros lugares de España provocó la anexión de edificios adyacentes y de vías y paradas supletorias en la llamada, por aquel entonces, Estación del Mediodía.
Pero desde los inicios de la Estación no dejó de realizarse ampliaciones y mejoras en el complejo para adaptarse en todo el momento a las exigencias de los viajeros y al continuo crecimiento de la demanda. Por ello, durante los años 20 y 30, la presencia de la Estación genera actividad hotelera, haciendo que dos de los primeros hoteles de lujo de la Capital se instalen cercanos a la estación como son el Hotel Palace y el Hotel Ritz.
En 1921 con la inauguración de la ampliación de Metro de la línea 1, se decidió que la Estación del Mediodía fuera una de las paradas de esta nueva ampliación tuviera que pasar por este núcleo ferrocarril y centro neurálgico de todos los turistas y viajeros de Madrid.
Por eso, cuando se construyó también la Cercanías-Renfe, la estación de Atocha se convirtió en el punto clave de toda su red. Esto trajo un mayor número de viajeros y trenes por lo que en 1992 tuvieron que construir un edificio acorde con la importancia que estaba adquiriendo el complejo. La estación Puerta de Atocha, como así se comenzó a llamar incluyó un intercambiador que une las estaciones de Atocha Cercanías con la del Metro de Atocha Renfe con un largo vestíbulo con acceso a otras estaciones en la que se encuentra un jardín tropical con más de 7.200 plantas y más de 100 tortugas que actúa a modo de área de descanso de los viajeros.
En 2004, la Estación sufrió uno de sus peores sucesos hasta la fecha. Fue una de las estaciones donde explotaron las bombas terroristas que terminaron con la vida de 191 personas el 11 de Marzo. En su homenaje, se erigió un monumento en la misma Estación por todas las víctimas.