La idea de unir Madrid con el Norte dio paso a un proyecto que por subasta ganó una filial de una sociedad francesa, Crédito Mobiliario Español. En 1859 se constituye para tal efecto la Compañía de Caminos de Hierro del Norte de España. El trazado resultó polémico pues unos querían llevarlo por Ávila y otros por Segovia. Al final se eligió Ávila. Entre las propuestas del asentamiento de la terminal (Chamberí, Puente Segovia) se fijó en la parte baja de la montaña del Príncipe Pío, porque allí desde 1852 estaba la Casa de Bombas o Casa de Máquinas de Vapor de la Villa que se abastecía del agua de la fuente de la Reina, en el Pardo. Un embarcadero provisional, sin inauguración oficial, se abrió al público en 1861 y sólo dio servicio entre Madrid–El Escorial, pues las guerras carlistas dificultaron el resto de la línea hasta el norte.
En 1876 se replanteó una nueva estación y otra ubicación que pudiera albergar salidas y llegadas en dos edificios independientes unidos por una cubierta de hierro. El proyecto preveía una estructura metálica de 155 metros de largo por 40 de ancho para unir los dos edificios. En 1879 se aprobó el proyecto del ingeniero de Vías y Obras, Biarez, con la participación de Grasset y el francés Ouliac, en el que los edificios crecían una planta y terminaban en una zona abuhardillada. Se construiría de ladrillo prensado y piedra de sillería de Aragón y albergaría vestíbulo, salas de espera, dependencias administrativas y hasta un salón real con gabinete y tocador. La estructura de hierro del francés Mercier, utilizando un sistema de cuchillas Polonceau con el cual consiguió, sencilla y artísticamente, cuarenta metros de luz de la estructura, se terminó en 1881.
En 1902 el tráfico de la estación exigía una ampliación de vías y tras varios proyectos, entre 1926 y 1933, se construyó el edificio que da a la Cuesta de San Vicente, de acuerdo con el proyecto de Cerlier. Esta terminal se dedicó a salidas y la del paseo de la Florida a llegadas. El nuevo edificio se construyó en hormigón, posee un gran vestíbulo con escaleras y ascensores y a ambos lados del cuerpo central se levantaron dos torres que más tarde se restaurarían debido a los daños sufridos por la artillería durante la Guerra Civil. En 1968 se clausura la estación de Delicias (o de las pulgas), y la de Atocha asume las líneas de Extremadura y Portugal.
La estación provisional de Chamartín, con 12 vías, recibe los trenes de Cataluña y de 1972 a 1976 se construye el proyecto realizado por José Antonio Corrales, Ramón Vázquez Molezún y Rafael Olalquiaga para la actual Chamartín, que preveía una afluencia de 20 millones de viajeros al año. Con estas perspectivas Príncipe Pío quedó sólo para cercanías y unos años más tarde se decide su clausura.