El proyecto de la estación fue realizado por el ingeniero francés Emile Cachelievre, quien utilizó las más modernas técnicas constructivas que, por su parte, Henri de Dion había aplicado con gran éxito en la Galería de Máquinas de la Exposición Universal de París de 1878. La armadura de hierro se preparó en Francia, en los talleres de la compañía Fives Lille (constructora del hoy desaparecido Hipódromo de París y, posteriormente, de la estación de Orsay). La firma francesa desplazó hasta Madrid a uno de sus ingenieros, Vaseille, para montar la estación y aquí tuvo la colaboración de tres ingenieros españoles: Bonifacio Espinal, Enrique Ulierte y Gutiérrez Calleja (este último, profesor de la Escuela de Ingenieros de caminos al frente de la cátedra de ferrocarriles).
La nave de las Delicias fue el primero y más amplio espacio diáfano que se construyó en Madrid con una moderna estructura metálica. Posteriormente vendrían las estaciones del Norte, en 1882, y Atocha, en 1892.
Construida como terminal de la nueva línea ferroviaria directa de Madrid a Ciudad Real, se inauguró el 30 de marzo de 1880 y el acto contó con la presencia del rey Alfonso XII y el presidente del Consejo de Ministros de España, Cánovas del Castillo, además de otras autoridades. Sin embargo, la estación no sería utilizada por la compañía constructora, ya que fue absorbida por la de Madrid-Zaragoza-Alicante (M.Z.A.), y como ésta contaba con sus instalaciones de Atocha vendió la estación a otra Compañía recién creada: la de Madrid-Cáceres-Portugal (M.C.P.)
A partir de ese momento Delicias se convierte en la estación término de la línea funcionando como una estación con carácter internacional, ya que enlazaba dos capitales europeas, Madrid y Lisboa, con trenes directos y un tráfico mixto, dedicado tanto al transporte de mercancías como al de viajeros.
En 1928, la Compañía M.C.P. fue reconvertida en Compañía Nacional de los Ferrocarriles del Oeste de España y en 1941, al producirse la nacionalización de los ferrocarriles españoles, quedó integrada definitivamente en Renfe.
El cierre de la estación de Delicias tuvo su origen inmediato en la conclusión de los enlaces ferroviarios de Madrid y la nueva estación de Chamartín que liberó de tráfico a la estación de Atocha. Así, el 30 de junio de 1969 dejó de prestar servicio de viajeros aunque la estación permaneció en servicio hasta 1971, año de su clausura.
En 1981 tuvo lugar un acontecimiento trascendental en la historia de la estación de Delicias: la publicación en el B.O.E. de la resolución favorable de la Dirección General de Bellas Artes, Archivos y Bibliotecas por la que se acordaba tener por incoado expediente de declaración de monumento histórico-artístico a favor de la estación. El Museo del Ferrocarril tiene su sede en Delicias desde 1984.