Als oostelijke begrenzing van het Martelarenplein beschrijft het in 1876-1879 gebouwde station van Leuven een langgerekte rechthoekige plattegrond en in opstand een breed centraal hoofdgebouw en twee hoekpaviljoenen, elk met twee bouwlagen en uitspringende voorgevelpartij van drie traveeën onder schilddak, verbonden via twee éénlaagse vleugels met vier traveeën onder zadeldak.

Het hoofdgebouw herbergt voornamelijk de inkomhal en het lokettenfront, de lagere zijvleugels de buffetzaal en lokettenkantoren, de hoekgebouwen de diverse directie- en administratiekantoren.

Geconcipieerd ter plaatse en ter vervanging van het eerste stationsgebouw, ging ook het nieuwe station bij zijn oprichting intrinsiek deel uitmaken van het stedenbouwkundig ensemble gevormd door het Martelarenplein, gerealiseerd in de jaren 1840 en gekenmerkt door homogene symmetrische pleinwanden met strakke en uniforme ordonnantie in de toen heersende neoclassicistische stijl. Daarenboven kwam, ingevolge het doortrekken van de Bondgenotenlaan tot de Grote Markt in 1870, het gebouw nu vanuit het centrum visueel als eindperspectief te staan. Aanknopend bij dit architecturale kader en om de functie van deze specifieke architectuur te beklemtonen, ontwierp Fouquet een stijlvol gebouw in eclectische stijl met een vermenging van elementen geput uit de Italiaanse renaissance en het Franse classicisme.

Qua materiaalgebruik werd geopteerd voor natuursteen (Brauvilliers, Savonnières) voor het parement en het beeldhouwwerk en blauwe hardsteen (Soignies) voornamelijk voor de sokkel.

Het geheel vertoont een evenwichtig symmetrische opstand en getuigt van zin voor monumentaliteit door de toepassing van penant- en pilasterstructuren, al of niet gelijnd, risalietpartijen, frontonbekroningen en het sculpturale en ornamentele decor.

Opvallend is de strak horizontale belijning door hoofdgestellen met sterk overkragende cordons, kroon- op tandlijsten en aansluitend borstweringen met balusterleuningen en attieken, in de midden- en hoekgebouwen bovendien als nadrukkelijke opdeling in twee registers.

In de rijker uitgewerkte bovenpartijen - nog extra geaccentueerd voor het ingangsgebouw - verlenen de gedifferentieerde venstervormen en de sculpturale versiering een bijzondere expressiviteit aan het gevelfront.

In het middengebouw flankeren ovale bovenlichten met mascaron en festoen een Venetiaans drielicht onder bekronend fronton met uurwerk, het onmisbare symbool van de vooruitgang. Erboven troont de Belgische Natie tussen de Grondwet en de Wetenschap, een allegorische beeldengroep van Edouard Fiers (° Ieper 1822 - † Schaarbeek 1894). De reliëfs tussen de pilasters refereren aan de functie van het gebouw en zijn het werk van Gerard Vander Linden (°Antwerpen 1830 - † Leuven 1911), van 1887 tot 1907 directeur van de Academie voor Schone Kunsten te Leuven. De fraaie hoekbeelden met kindergroepen staan op naam van de gerenommeerde beeldhouwer Thomas Vinçotte (° Borgerhout 1850 - † Schaarbeek 1925). In de hoekgebouwen sieren putti de boogruggen van de centrale aediculavensters en wapenschilden de bekronende postamenten tussen leeuwenkoppen.

Eenzelfde architecturale of sculpturale compositie kenmerkt ook de uitspringende zijgevel met venstertravee van de hoofdvleugel en de zijgevels van de hoekpaviljoenen zijde vesten, die overigens op de begane grond in ramen en deuren nog grotendeels het decoratieve houtwerk met bewerkte colonnetten en klassieke hoofdgestellen bewaren.

Opvallend sober gehouden zijn daarentegen de overige vlak bepleisterde zijgevels en de achtergevel, die eertijds grotendeels verscholen bleef achter de imposante gietijzeren perronoverkapping. Enkel in de begane grond - heden doorbroken voor de uitbouwsels van wachtzaal en buffet en nog slechts ten dele zichtbaar door de lagere marquise - beperkt de versiering zich tot ritmerende pilasters en penanten met imitatiebanden of schijnvoegen en een brede puilijst, onderbroken voor de sporadisch bewaarde provinciewapenschilden en voor de toegevoegde vensteropeningen van de later ingebrachte tussenverdieping.

Modernisering en opdeling ten behoeve van nieuwe gebruikseisen geven heden een misleidend beeld van de originele inwendige organisatie en inrichting. Voornamelijk wat het ingangsgebouw betreft. In tegenstelling tot het exterieur dat duidelijk twee onderscheiden bouwgeledingen telt, bevatte het interieur oorspronkelijk een monumentale ontvangsthal met een bijzonder markante ruimtewerking en een opmerkelijk decoratief houten lokettenfront. Van deze hal bleef, boven de later ingebrachte tussenverdieping, de neoclassicistische stucdecoratie nagenoeg nog intact bewaard. Een imposant driedelig casementenplafond met brede kroonlijst op klossen, in het middenvak opgevat als koepelgewelf met loofwerkcordon. Muurgeleding door Korinthische pilasters waartussen spaarvelden met panelen. Aan pleinzijde, voor de ovale vensters en het drielicht, decoratieve omlijstingen boven casement- of spiegelborstweringen. Zijwanden met centraal wapenschild boven hoornen des overvloeds. Ten oosten, aan weerszij van een breed rondbogig bovenlicht met voluutsluitsteen en geflankeerd door chûtes, twee bijzonder fraaie bas-reliëfs met allegorieën refererend naar de nijverheid en de spoorwegen, gesigneerd G. Vander Linden.

Ook in de voormalige wachtzaal 1ste en 2de klasse bleven, boven de gedeeltelijk zichtbare rechthoekige en rondbogige nissen, nog de decoratieve cartoucheversiering in de zwikken bewaard alsook het originele stucplafond. Typisch decor met loof-, stafwerk- en eierlijsten, wapenschilden van de Belgische provincies, centraal casement met kroonlijst op acanthusconsoles en tandlijst en medaillon met ijzeren rooster.

In de buffetzaal, voorheen de wachtzaal 3de klasse, bleef de oorspronkelijke ruimtehoogte daarentegen behouden.