清光緒13年(1887)，台灣首任巡撫劉銘傳成立全台鐵路商務總局，計畫鋪設基隆到台南鐵路。隔年，路基探勘南至葫蘆墩一帶，由於經費問題，至光緒19年(1893)止，僅鋪設基隆至新竹鐵路，為今縱貫線北段之前身。
日治時期，台灣總督府在明治32年(1899)成立鐵道部，鋪設基隆到高雄鐵道，北部與南部分頭進行，在台中站交會，明治41年(1908)縱貫線全線完工通車。
第一代的台中火車站興建於明治38年(1905)，為木構造建築，稱為「台中停車場」，首任驛長為塚澤力太郎。明治41年興建火車頭的機關庫，明治42年陸續完成事務室、鐵製跨線鐵橋及第一貨物倉庫的興建。
大正5年(1916)因市區的發展及車站的空間不敷使用，台中火車站進行改建，大正6年(1917)完成了台中火車站第二代車站，稱為「台中驛」，站體面積132坪，月台雨棚122坪。現在的台中後火車站在日治時期為「帝國製糖株式會社」由台中製糖所出發至南投，在1918年全線通車的中南線鐵道的「台中花園站」。
後期文藝復興式(Late Renaissance)，日本稱為近世復興式，流行於18及19世紀，也有學者稱為矯飾式樣(Mannerisn style)。作品嚴謹的運用古典的細節與比例，重視形式，日本學者稱「樣式建築」。台中火車站為自由古典風格(Free classic)建築，為「樣式建築」最常見的做法，自由古典風格在日本稱為「辰野風格」。
第二代台中火車站的設計者，一說為曾設計過台北州廳(今監察院)、台中州廳與台南州廳(今台灣文學館)的森山松之助；一說為基隆火車站、新竹車站的設計者松崎萬長(1858-1921)。松崎萬長為日本唯一擁有爵位之建築家，是日本第一代建築家中德國派的代表人物，其作品將古典樣式的架構融合了部分新巴洛克風格，並結合德國中世紀歌德式建築。
由於車站客運量增加，原有的車站空間又不敷使用，光復後於民國38年進行車站的擴建，將右翼的候車室向外擴增，其後又於左翼增建收件室、剪票室、行李房、辦公室。
台中驛屋頂為西式木造屋架，陡峭之四坡頂，並覆以銅板瓦，建築正中央設置有鐘塔。高聳的鐘塔配合前後左右突出的山牆，再與雙向急斜的屋頂嵌合。鐘塔為木頭所構成，外觀貼一層銅板。
正面及背面的山牆前後互相對稱，開一面大拱窗，大拱窗是以正方形格子分割窗戶的開口，山牆中心以繁複的裝飾包圍一只圓環。山牆兩側以對稱角柱強調中央山牆凸出的部分。角柱柱頂有勳章飾，下方彩帶裝飾有台灣本土盛產的香蕉、鳳梨、蓮霧。
牆面上部為拱型窗，開口上緣置拱心石，牆面以紅色小口無釉面磚及洗石子裝修。無釉面磚應為日本進口材料，色澤與尺寸與東京火車站(1912)之面磚類似，東京火車站之面磚乃由當時日本相當有名的「品川白煉瓦製」廠所提供。
門廊為木構造的形式，上面覆蓋了銅板屋面。木造柱列有柱頭、柱身、柱基之分，轉角及主要入口處，置以雙柱及格狀柵欄，是目前台灣火車站僅存的華麗木構造裝飾物。
主入口兩側置以古典風格的內凹半圓形壁龕，頂端及下緣為貝殼狀的裝飾物。
入口大廳右側為三等候車室，左側為一二等候車室，大庭與月台間為售票間。台中驛室內拱券為鋼筋混凝土造，特殊的植物及異國風情的裝飾，而有「異風柱式」之稱。
第一月臺、第二月臺為側式月臺，月臺鐵架雨庇有「雙斜撐鋼構樑架」及「拱型鋼構樑架」等造型。李乾朗《台灣古建築圖解事典》提及月台遮棚為自英國進口之鑄鐵樑架所構成，在台灣鐵路所有月台中，年代最古老，製作也最精緻。
民國84年4月22日內政部公告台中火車站為台閩地區第二級古蹟，其範圍包括台中火車站舊廈本體、前門廊及第一月台。110年8月將第二月台、第一代停車場事務室登錄進國定古蹟範圍。
民國98年9月起由鐵工局規劃的台中鐵路高架捷運化工程動工，隨後於民國101年在第二代車站東北側進行高架站房新建工程。民國105年10月16日，運輸功能正式被第三代新台中車站取代。
第三代新台中車站由哈佛大學設計學院建築碩士的建築師張樞設計，設計理念係利用水平輕巧金屬拱對應舊站垂直穩重紅磚牆，以「薄殼不捨紅磚、創新不離懷舊」之概念，將原台中車站的建築美學元素轉化至新站的建築細節中，使新舊站縫合為一體，營造高架新站與老火車站的對話，呈現出懷舊與創新共存共榮的意象。
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