In 1837 worden initiatieven genomen om de spoorwegverbinding Brussel-Gent via Brugge en Oostende door te trekken. Het Brugse stadsbestuur verkiest, met de hoop op een belangrijke economische heropleving, om een station in het stadscentrum op 't Zand in te planten. Het aanleggen van de spoorweg en het bouwen van dat station betekenen een metamorfose voor dit plein. Het kapucijnenklooster op de Vrijdagmarkt wordt volledig gesloopt en de Smedenrei overwelfd. Het station in neoclassicistische stijl (dat later heropgebouwd is in Ronse) is ontworpen door de Brusselse architect Auguste Payen (1801-1877). Op 12 augustus 1838 wordt de spoorlijn Gent-Oostende plechtig ingehuldigd en vanaf 1 oktober rijden dagelijks drie treinen naar Oostende en twee naar Gent, Brussel, Antwerpen, Leuven en Ans (Luik). Het succes is enorm. Reeds in 1877 wordt de Antwerpse architect Joseph Schadde (1818-1894) belast met het ontwerpen van een nieuw en ruimer station. Hij ontwerpt een monumentaal gebouw in neogotische stijl dat opgetrokken wordt ter vervanging van het neoclassicistische.

Vanaf 1899 rijpt de gedachte om het neogotische station te slopen en een nieuw station buiten de vestingen van Brugge aan te leggen. Het toenemende treinverkeer vergroot namelijk teveel de druk op de binnenstad. In 1909 wordt begonnen met het ophopen van de bestaande spoorlijn Oostende-Brussel. Daardoor hopen de Bruggelingen op een betere doorstroming van het verkeer. Circa 1912-1913 starten de onteigeningen voor de bouw van het nieuwe station. Aan de hand van een voorontwerp van een spoorwegarchitect schrijft de NMBS een wedstrijd uit voor het definitieve ontwerp, dat wordt gewonnen door de Brusselse architecten Josse en Maurice Van Kriekinge. Door de Eerste Wereldoorlog duurt het echter tot 1936 voor het nieuwe station wordt gebouwd; het bestaande station op 't Zand wordt in 1948 - niet zonder protest - gesloopt en het plein heraangelegd.

Het veelzijdige oeuvre van Josse Van Kriekinge (1877-1963) evolueert van art nouveau tot modernisme. Hij studeerde aan de Mechelse en Antwerpse academie en in 1930 associeerde hij zich met zijn zoon Maurice Van Kriekinge (1908-1969). Naast privéwoningen, flatgebouwen en sociale woningen bracht Josse verschillende openbare gebouwen tot stand o.m. het douanegebouw van Zelzate (1910) en samen met zijn zoon ook het station van Dendermonde (1941) en de Hogere Zeevaartschool van Antwerpen (1929-1933).

Het huidige station is opgetrokken in de Internationale Stijl; het opzet wordt gekenmerkt door een klassieke zin voor monumentaliteit. Meer bepaald is dit gebouw een voorbeeld van "modern classicisme", een term die ook gebruikt wordt voor bekende gebouwen als het Groot paleis van de Wereldtentoonstelling in 1935 op de Heizel in Brussel (architect J. Van Neck, 1935), voor de Sint-Augustinuskerk in Vorst (architecten L. Guiannotte en A. Watteyne, 1932), voor de Stedelijke Normaal- en Oefenschool in Antwerpen (architect E. Van Averbeke, 1929-1930) en voor het gerechtshof in Oostende (architect S. Smis en andere, 1938). 

De hoofdvleugel is symmetrisch opgebouwd en telt drieëntwintig traveeën. Het wordt geritmeerd door een hoger middenrisaliet van vijf traveeën, dat gedomineerd wordt door een (recent vernieuwde) luifel. Oorspronkelijk flankeerden twee vlaggenmasten het risaliet waarop nog steeds de letter B (symbool van de Belgische spoorwegen) is aangebracht. De hoge, verticale vensterpartijen van de zijtraveeën worden geaccentueerd door een brede arduinen lijst.

Het gebouw heeft een plattegrond in de vorm van een winkelhaak. Het hoofdgebouw is evenwijdig met de sporen ingeplant. De inkomhal heeft imposante afmetingen en staat in verbinding met de bagageafdeling. Het inlichtingenkantoor en het buffet (vroeger de wachtzalen) zijn er rond gegroepeerd. In de rechtervleugel bevindt zich het postkantoor van Brugge X. De bagageafdeling en het postkantoor zijn verbonden met de goederentunnel die de vijf perrons langs liften kan bereiken. In de hoofdvleugel zijn op de verdieping de burelen van de technische diensten en een woning voor de stationschef ondergebracht. In 1997 werd de voorgevel van het stationsgebouw grondig gereinigd.

Opmerkelijk in de lokettenzaal is de muurschildering van 18m lang en 90m². Het is van de hand van René De Pauw en getiteld "Mijn landeken ten eere". René De Pauw (Pittem 1888-Brussel 1946) studeerde oorspronkelijk rechten te Gent maar koos na het overlijden van zijn vader definitief voor de schilderkunst en zette zijn studies verder aan de academie te Brugge. Na de Eerste Wereldoorlog vestigde hij zich te Brussel maar keerde dikwijls terug naar zijn geboortestreek. Zijn geliefde onderwerpen waren portretten, bloemstukken, landschappen, kerkinterieurs en vooral visserstaferelen. Vertrokken vanuit een lief, charmerend maar bevreemdend helder impressionisme werd De Pauws coloriet gaandeweg somberder en kregen zijn figuren een hoekiger, robuuster uitzicht. Het geheel bestaat uit drie luiken: het centrale luik bestaat uit 56 panelen die kunnen worden afgenomen. De twee zijluiken zijn rechtstreeks op de muren geschilderd. Het geheel wordt gekenmerkt door historische, culturele en anekdotische details en vormt een unicum in de wereld van het spoor. Op het middendeel staat Brugge centraal, omringd door andere West-Vlaamse centra, terwijl de zijkanten overige Vlaamse steden en Wallonië uitbeelden. In de rechter benedenhoek van het middenpaneel heeft de schilder zichzelf afgebeeld en de titel geschreven op een schildersezel.

In de zijvleugel links van het stationsgebouw, die het achterliggende goederenstation verbergt, was oorspronkelijk onder meer een telegraafkantoor ondergebracht (ter hoogte van de huidige videoverhuurwinkel).

In tegenstelling tot het hoofdgebouw leunt de architectuur van het seinhuis meer aan bij een meer "elegant" modernisme getypeerd door de horizontale vensterregisters, overkragende luifel, afgeronde hoeken en patrijspoortvensters (verwijzend naar de zogenaamde "bootstijl"). Op oude foto's zijn de muurdammen van de vensterregisters nog bekleed met tegels.

In het najaar van 2004 is een groot project gestart ter modernisering van het station in functie van onder meer een verbreding van de doorgang naar de sporen, een vernieuwing van de perrons en de bouw van een nieuw seinhuis. Een tweede fase voorziet in de bouw van een tweede stationshal met kantorencomplex en ondergrondse parking aan de kant van Sint-Michiels. In 2008 moeten de werken klaar zijn.