Delft is dankzij de Hollandsche IJzeren Spoorweg-Maatschappij al sinds 1847 via de zogenaamde Oude Lijn van Amsterdam via Den Haag naar Rotterdam bereikbaar per spoor. Het eerste stationsgebouw is symmetrisch en kent een hoog middendeel met puntdak en aan beide zijden een vleugel. Naast beide zijvleugels staat een eindgebouw dat opvallend ver naar voren staat. Tussen de vleugels en de eindgebouwen is in eerste instantie een hek neergezet. Later zijn de gebouwen met een muur met daarin een dubbele deur verbonden.
Het eenvoudige gebouw maakt in 1883 plaats voor een levendig nieuw stationsgebouw. Het gebouw is het eerste asymmetrische ontwerp van de HSM en heeft bovendien als eerste stationsgebouw van de spoorwegmaatschappij een toren. De toren bevindt zich aan de rechterkant van de straatzijde van het hoofdgebouw. Voor de drie deuren van het hoofdgebouw bevindt zich een bordes waarmee het hoogteverschil tussen de straat en de stationshal wordt overbrugd. Het gebouw heeft twee verschillende zijvleugels welke weer twee verschillende eindgebouwen hebben.
Delft breidt zich in de loop der tijd ook aan de andere zijde van het spoor flink uit. Na de Tweede Wereldoorlog wordt dan ook een oplossing bedacht voor het groeiend aantal opstoppingen aan de westzijde van de binnenstad door het toenemende verkeer, zowel op de weg als op het spoor. Naast een verkeerstunnel ten zuiden van het station wordt de Oude Lijn aan de noordzijde van het station over een lengte van 1,2 kilometer via een betonnen spoorviaduct door de stad geleid. Hierdoor ontstaan door de hele stad vrije kruisingen tussen het weg- en spoorwegverkeer. De spoorwerken in Delft zijn in 1965 gereed. Ruim 20 jaar later ontstaan de eerste plannen om de Oude Lijn tussen Leiden en Rotterdam en verder naar Dordrecht te verdubbelen van twee naar vier sporen. Het dubbelsporige viaduct dat dwars door Delft loopt, is hierbij één van de grootste uitdagingen. Terwijl het grootste deel van de spoorlijn tussen Leiden en Dordrecht in de jaren ’90 viersporig wordt, duurt het tot 2009 wanneer gestart wordt met de aanleg van een spoortunnel door Delft. Het tracé van de tunnel ligt grotendeels pal naast het bestaande viaduct. Ter hoogte van het station ligt de tunnel min of meer voor het oude stationsgebouw, onder het nieuwe stationsplein. Hierna sluit het nieuwe tracé met een ruime boog op de bestaande spoorlijn aan. Wanneer de tunnel in gebruik is, wordt de spoorlijn tussen Rijswijk en Delft geheel viersporig gemaakt.
Na zes jaar bouwen en testen rijden op 28 februari 2015 de eerste reguliere treinen door de nieuwe tweesporige tunnel. Na de opening van de 2,3 kilometer lange tunnel is het viaduct gesloopt om plaats te maken voor de tweede tweesporige tunnel. Omdat de spoortunnel tot enkele honderden meters ten zuiden van het station loopt, verdwijnt ook het bovengrondse stationsemplacement. Tegelijkertijd met de opening van de tunnel wordt ook de nieuwe stationshal in gebruik genomen. De hal is onderdeel van een nieuwbouwcomplex bovenop de tunnel waarin ook het Stadskantoor is ondergebracht. Bij de opening begin 2015 is het gebouw slechts gedeeltelijk voltooid. Het laatste deel van het stationsgebouw annex stadskantoor wordt op de plek van het viaduct gebouwd. De ruime stationshal kent verschillende Delftse elementen. Zo zijn verschillende wanden met Delfts Blauw mozaïk betegeld en is in het gewelfde plafond een stadsplattegrond uit 1877 te zien.
Het oude stationsgebouw is na de sluiting zoveel mogelijk in de oorspronkelijke staat teruggebracht en biedt sinds eind 2018 plaats aan een restaurant en enkele bedrijfsruimten.
Op de foto boven dit artikel het stationsgebouw en stadhuis van Delft op 10 september 2023.