Net als in een groot aantal vergelijkbare plaatsen neemt de Nederlandsche Rhijnspoorweg-Maatschappij in 1855 bij de opening van de spoorlijn Utrecht – Rotterdam in Gouda twee voormalige directieketen in gebruik als stationsgebouw. Aan het eind van de jaren ’60 van de negentiende eeuw breidt de NRS de infrastructuur rond Gouda aanzienlijk uit met een zijtak naar Den Haag en een verbinding tussen Harmelen en Breukelen. Met de laatste verbinding krijgt de spoorwegmaatschappij een rechtstreekse verbinding tussen Amsterdam en Rotterdam. De bestaande spoorlijn wordt verdubbeld en Gouda krijgt in 1868 een volwaardig stationsgebouw. Het symmetrische gebouw is twee verdiepingen hoog. Het middendeel staat aan de straatzijde iets naar achteren. Beide eindgebouwen staan haaks op het middendeel. Aan de linkerzijde komt een lange aangebouwde locomotiefloods. Aan de rechterzijde een houten goederenloods. Al vanaf het begin is het hoger gelegen eilandperron bereikbaar via een tunnel. Op het grotendeels overdekte perron staan verschillende gebouwen met wacht- en dienstruimtes.
In 1911 is de locomotiefloods ingekort en verbouwd tot werkplaats en is de houten goederenloods vervangen door een stenen gebouw met plat dak. In de loop der jaren komen aan de straatzijde twee uitbouwen. Eén voor het middendeel van het hoofdgebouw en één voor de werkplaats. Bij de elektrificatie van het emplacement in de jaren 1930 is het eilandperron verbreed en voorzien van nieuwe perrongebouwen en een nieuwe overkapping.
Tijdens bombardement in 1944 en 1945 raakt het gebouw zwaar beschadigd. Hierbij verdwijnen de bovenverdieping een verschillende aanbouwen van het stationsgebouw. Na de oorlog resteert de begane grond van het oude gebouw als provisorisch stationsgebouw. In 1948 is het resterende deel van het stationsgebouw opgeknapt en aan de straatzijde getransformeerd tot een symmetrische neobarokke façade met kroonlijst. Aan beide zijden komt een gebogen zijvleugel. Eén dient als rijwielstalling, de andere als wachtruimte voor het busstation. Op het nieuwe gebouw komen diverse beelden.
In de tweede helft van de jaren 1970 krijgt het station een tweede eilandperron en een nieuwe brede voetgangerstunnel die bovendien is doorgetrokken naar de andere zijde van het emplacement. Het stationsgebouw blijft door de oorlogsschade echter in slechte staat, wat zich onder andere uit in ernstige scheurvorming. Ook is het onlogisch ingerichte gebouw al snel te klein. In 1982 is het gesloopt om plaats te maken voor nieuwbouw. Het nieuwe stationsgebouw is in 1984 gereed. Omdat de gemeente alleen laagbouw toestaat, wordt het een rechthoekig gebouw van slechts één bouwlaag. Op het dak komen echter zes grote tonggewelven. In de halfronde bogen zijn de beelden van het vorige station herplaatst, een andere eis van de gemeente. De twee uiterste gewelven zijn groter dan de middelste vier. Het linker gewelf is de grootste en vormt de toegang tot de reizigerstunnel. Onder het rechter gewelf komt de stationsrestauratie.
Aan de andere zijde van de reizigerstunnel komt in 1987 een eenvoudig loketgebouwtje. Boven de trap komt een eenvoudige luifel. Ruim twintig jaar later is het gebouwtje gesloopt. De luifel is in 2014 vervangen door een hoge glazen kap die het hele stationsplein overdekt.
In 2022 is het stationsgebouw verbouwd. Het bouwdeel onder het rechter gewelf is hierbij gesloopt, waardoor dit gewelf een vrijstaande poort is geworden. Het gebouw krijgt aan beide zijden een bakstenen fietsenstalling. Op de nieuwe bouwdelen komen de vier beelden die sinds de sloop van het vorige stationsgebouw in de opslag hebben gestaan.
Het naoorlogse Goudse stationsgebouw blijft op verzoek van de gemeente slechts één verdieping hoog. Om toch meer volume te creëren zijn maar liefst negen beelden van ongeveer 1,80m hoog op het gebouw geplaatst. De beelden van Jo Uiterwaal zijn een personificatie van Gouda als handelsplaats, van de lokale industrieën: Wafelbakkers, Plateelbakkers, Lakenmakers en Burgers en van de godinnen Persephone en Amphitrite die beide in twee beelden zijn afgebeeld. De vijf eerstgenoemde beelden zijn ook in het nieuwe stationsgebouw opgenomen en hierbij ondergebracht onder de speciaal ontworpen tonggewelven. De andere vier beelden verdwijnen in de opslag. Bij de verbouwing van het station in 2022 zijn de vier ‘vergeten’ beelden de Griekse godinnen op de nieuwe fietsenstalling geplaatst.
Op de foto boven dit artikel het stationsgebouw van Gouda op 25 mei 2025. De meest rechtse gewelf staat sinds de verbouwing los van het stationsgebouw.