År 1856 anlades Skånes första järnväg mellan Malmö och Lund, den statliga södra stambanans sydligaste del. I samband med detta uppfördes en stationsbyggnad parallellt med spåren, en putsad byggnad i nyrenässansstil. Bara tio år efter uppförandet brann byggnaden, och en ny uppfördes på samma plats. Arkitekt för den nya stationsbyggnaden var Statens Järnvägars chefsarkitekt Adolf Wilhelm Edelsvärd. Rester av den nedbrunna järnvägsstationen integrerades på ett sinnrikt sätt i den nya byggnaden, som även den uppfördes enligt nyrenässansens stilideal. I denna del av stationen inryms en av landets få bevarade kungliga väntsalar, inredd år 1896.
I slutet av 1880-talet hade tågtrafiken ökat kraftigt och man byggde en ny stationsbyggnad, även denna ritad av Edelsvärd. Malmö var sista anhalt på stambanan och var en så kallad säckstation, där tågen inte körde genom utan fick vända. Detta markerades genom att den nya stationsbyggnaden lades vinkelrätt mot spåren. Stationshuset utformades som en monumental byggnad i tre våningar, med fasader i rött maskinslaget tegel i romanska former.
På 1920-talset genomfördes en större om- och tillbyggnad av centralstationen. För ritningarna stod Folke Zettervall som då var chefsarkitekt vid Järnvägsstyrelsen. Då tillkom bland annat en ny större banhall uppförd i fyra skepp i limträkonstruktion, och en speciell del för lokaltågstrafik i stationens sydöstra del.
Centralstationen är förklarad som byggnadsminne sedan 1986. Byggnaderna står idag inför omfattande förändringsarbeten i samband med anpassning till Citytunneln.
