El ferrocarril llegó a León por primera vez el 23 de agosto de 1863, con la llegada de un tren procedente de Palencia. En aquel momento existían unas instalaciones provisionales que se habían levantado junto al río Bernesga, mientras se terminaba la estación prevista. Tras varios meses de trabajos, la estación fue inaugurada el 8 noviembre del mismo año, junto con el tramo Palencia-León de la prevista línea Palencia-La Coruña.
El proyecto corrió a cargo de la Compañía del Ferrocarril del Noroeste, pasando, años después, a manos de la Compañía de Caminos de Hierro de Asturias, Galicia y León (AGL). Bajo la dirección de esta compañía se lograrían completar los trazados ferroviarios que iban de León a La Coruña y a Asturias.
El edificio de la estación fue erigido siguiendo el proyecto del ingeniero Eduardo Saavedra y Moragas, que diseñó un edificio para viajeros y oficinas que se basaba en el modelo seguido por la compañía «Norte» en sus estaciones y con elementos del llamado «secesionismo» vienés.
La estación sería inaugurada oficialmente en noviembre de 1863, siéndole añadida en 1870 una marquesina metálica que cubría los andenes y que disponía de mamparas acristaladas en uno de sus lados.