Dworzec kolejowy powstawał w latach 1882-1885 poza ówczesnymi granicami miasta na gruntach wsi Prędocinek i został zlokalizowany na szlaku Drogi Żelaznej Iwanogrodzko (Dęblińsko)-Dąbrowskiej na zlecenie Towarzystwa Akcyjnego Drogi Żelaznej Iwanogrodzko-Dąbrowskiej. Do inwestorów dworca należał m.in. pochodzący z Radomia Jan Bogumił Bloch, przemysłowiec zwany „królem polskich kolei”. Projekt obejmował kompleks budynków, w skład którego wchodził: dworzec, Warsztaty Mechaniczne złożone z licznych budynków murowanych i drewnianych oraz wodociąg. Budynek główny zaprojektował Adolf Schimmelpfennig, warszawski architekt, autor projektu m.in. dworca Łódź Fabryczna, a swoją siedzibę początkowo miała tu Dyrekcja Zarządu Kolei i służby technicznej Pierwotnie budynek nawiązywał do barokowej architektury pałacowej z dekoracyjną fasadą zwieńczoną naczółkiem zamkniętym półkoliście, z dwoma obeliskami po bokach; dwukondygnacyjna fasada poprzedzona była wysokimi schodami. Lokalizacja obiektu wyznaczyła kierunki rozwoju zabudowy Radomia na przyszłe dziesięciolecia – od reprezentacyjnej ul. Lubelskiej (ob. Żeromskiego) wyznaczono arterie łączące śródmieście z dworcem. Radom, który w tamtych latach miał ponad 14 tys. mieszkańców, stał się ważnym węzłem komunikacyjnym Królestwa Polskiego. W 1899 dworzec został włączony do miasta w formie enklawy. W latach 1899-1900 linia kolejowa została upaństwowiona i zmieniła nazwę na Nadwiślańską Rządową Kolei Żelazną. Dworzec został podpalony w 1914 roku przez wycofujących się podczas I wojny światowej Niemców; kolejnych zniszczeń dokonały w lipcu 1915 roku wycofujące się z Radomia wojska rosyjskie. Odbudowany został przez austriackiego okupanta w latach 1916-1917; to wtedy budynek zyskał uproszczoną formę, której detal elewacji nawiązuje do stylistyki neoklasycyzmu. W 1918 r. dworzec przejęły władze polskie, o czym przypomina pamiątkowa tablica. W okresie międzywojennym mieściła się tu siedziba Dyrekcji Okręgowej Kolei Państwowych.
W 1989 roku rozpoczął się generalny remont dworca według projektu Jerzego Bortkiewicza, który zakończył się w 1992 roku; kosztował ok. 13 mln zł. Został wówczas zmieniony układ i wystrój wnętrza, dobudowano także pawilon poczekalni. W latach 2012-2013 została odnowiona elewacja, a w 2015 r. zmodernizowano i przebudowano stację oraz perony.
W budynku znajduje się tablica upamiętniająca radomskich kolejarzy zamordowanych przez Niemców w latach 1939–1945. W naczółku budynku stacji kolejowej widnieje herb Radomia.
Na froncie obiektu znajduje się zegar; ciekawostką jest, że na tarczy widnieje rzymska czwórka zapisana jako „IIII”, zamiast wszystkim dobrze kojarzonej „IV” . Taki zapis stosują konstruktorzy i projektanci, a nawiązuje on do najstarszego istniejącego zegara znajdującego się w Katedrze w Wells w Anglii (XIV w.).
Obiekt został wpisany do rejestru zabytków w 1988 roku.
