Al voltant dels anys seixanta del segle XIX neix, de mans de Companyia del Ferrocarril de Tarragona a Martorell i Barcelona, l’Estació de Sants com a estació terminal de les seves línies.
Al 1875 la Companyia del Ferrocarril de Tarragona a Martorell i Barcelona es fusiona amb Camins de Ferro de Barcelona a França per Figueres i en resulta una nova societat : Ferrocarrils de Tarragona a Barcelona i França. Les dues línies gestionades per aquestes companyies es trobaven separades pel nucli urbà de Barcelona. El projecte d’enllaç de l’Estació de França amb la de Sants a través dels carrers Aragó i Marina va ser molt problemàtic. La decidida oposició de diversos sectors de la ciutat va endarrerir l’inici de l’obra de 1876 fins a 1881. El 10 d’octubre de 1882 va circular per aquest enllaç el primer tren de viatgers i l’Estació de Sants va deixar de ser terminal per a convertir-se en estació de pas.
La companyia Ferrocarrils de Tarragona a Barcelona i França absorbeix l’any 1886 a Ferrocarrils Directes de Madrid i Saragossa a Barcelona i l’any 1887 a Ferrocarrils de Valls a Vilanova i Barcelona. Finalment el 1891 és absorbida per Ferrocarril de Madrid a Zaragoza y Alicante (MZA), si bé fins l’any 1925 s’exploten les línies del Ferrocarril de Tarragona a Barcelona i França com una línia independent : Xarxa catalana de MZA.
És el 1941 que es crea RENFE a partir de MZA i amb l’absorció de Compañia de los Caminos de Hierro del Norte de España (creada el 1858) i encara que de menor importància, també amb l’absorció dels ferrocarrils andalusos. Així doncs, és a partir d’aquella data que RENFE gestiona l’Estació de Sants.
El projecte de reforma de la primitiva estació de Sants, a les darreries del segle XIX, s’emmarca en els diferents projectes de modernització de la xarxa ferroviària de Barcelona que contempla l’obertura de noves estacions (Passeig de Gràcia, Morrot, Sagrera i l’ampliació de la de Sants). Barcelona ha absorbit els antics municipis fins aleshores independents i a més es troba en plena expansió industrial, la qual cosa fa necessari adaptar els ferrocarrils.
En aquest sentit convé destacar el projecte d’Eduard Maristany (1899). Maristany fou inspector estatal dels ferrocarrils de Catalunya, i, posteriorment, enginyer de les obres dels Ferrocarrils de Tarragona a Barcelona i França. Projectà diverses línies ferroviàries dels Països Catalans i d’Aragó. Féu construir, a càrrec de MZA, l’Estació de França.
Finalment el 1902 es presenta el projecte de reforma de l’Estació de Sants per part de MZA. Aquest projecte va estar pendent molts anys ja que es va quedar aturat en el primer tràmit, l’informe de l’Ajuntament. Aquest va voler aprofitar l’ocasió per introduir una variant consistent en rebaixar la rasant de l’estació i eliminar els passos a nivell. La companyia MZA ho admet amb la condició que l’Ajuntament pagui la diferència del cost del projecte així modificat (Aproximadament aquesta diferència pujava a sis milions de pessetes).
Tot i que al febrer de 1905 ja s’havia arribat a un acord, 18 anys més tard l’Ajuntament encara seguia aturant l’examen de l’expedient previ a l’autorització de l’obra.
Una Reial Ordre del 17 de novembre de 1922 havia aprovat el projecte de modificació de rasants i de reforma de l’Estació de Sants. MZA té interès en encarregar-se de totes les obres, inclús les de canvi de rasant que corresponien a l’Ajuntament a fi i efecte de no tenir dificultats si es presentava la necessitat d’un pressupost addicional ja que l’Ajuntament l’hauria hagut d’aprovar expressament.
Es prepara un nou projecte que contempla l’establiment de la part de serveis entre els carrers Vilamarí i Vallespir i la part de viatgers entre el carrer Vallespir i la carretera de Sants. En un principi es preveia construir el nou edifici de l’estació de viatgers sobre el mateix emplaçament que l’antic, però l’Ajuntament va presentar un avantprojecte de nova estació de viatgers situada entre els actuals carrer Alcolea i Plaça de Sants ja que considerava que el lloc previst inicialment, l’actual carrer Sant Antoni, resultava incòmode donada la poca amplitud dels carrers que donarien accés a l’edifici.
La companyia accepta l’avantprojecte i el projecte definitiu el presenta el 5 d’agost de 1929 l’enginyer en cap del Servei de Via i Obres, Eduard Perxés. L’edifici previst és rectangular, de tipus classicista amb influències italianes, bastant proporcionat, amb els cantons rematats, en el que destaca l’arc de volta de canó que corona l’edifici longitudinalment. L’entrada principal està constituïda per tres portes separades per pilastres, damunt els quals, i abarcant la mateixa amplada, s’aixeca l’arc de volta donant un perfecte equilibri i marcant el nucli central de l’edifici.
El resultat és de gran senzillesa, sobresortint la marquesina de ferro que rodeja l’edifici. Es sosté mitjançant 8 grans pòrtics metàl.lics, sobre els que s’eleven muntants també d’acer laminat que sostenen les bigues del pis, cobertes al mateix temps per un forjat continu de formigó armat, estructura que s’oculta per un forjat de formigó entre cada pòrtic simulant la continuïtat de l’arc de volta que cobreix les andanes. Totes les estructures metàl.liques es recobreixen amb formigó de Portland per a donar-els-hi més rigidesa i protegir l’acer.
Finalment el projecte es va aprovar per una Reial Ordre del 24 de gener de 1930, malgrat que, principalment degut a la guerra civil en què van quedar paralitzades les obres, la nova estació no es va acabar de construir fins als anys quaranta.
Anys més tard amb l’aprovació del Pla d’Enllaços Ferroviaris de Barcelona, l’Estació de Sants començaria a recuperar el protagonisme perdut a primers de segle. Per la seva privilegiada situació dins el nucli urbà de Barcelona, es va proposar la construcció d’una estació més funcional i apta per absorbir tot el trànsit barceloní.
Així doncs, l’actual estació de Sants va començar a construir-se el 1969 segons el projecte de l’enginyer Agustín Sancho i de l’arquitecte José Antonio Pruneda. L’emplaçament va ser traslladat entre els actuals carrers Viriato i Numància. Les obres no van finalitzar fins el 1980.
L’actual estació de Sants consta d’una planta subterrània per a la circulació ferroviària i una altra a nivell de carrer que aglutina els serveis d’informació, atenció al client i comerços. Compta amb un vestíbul de 17.450 m2, recorregut per 51.500 viatgers diaris, dels quals 39.000 són de rodalies. Per les seves vies circulen 790 trens durant les 19 hores en que es troba oberta al públic.
A diferència d’altres estacions, durant la construcció de la nova estació de Sants, el trànsit ferroviari no es va interrompre, amb la qual cosa es van haver de desviar les vies diverses vegades per necessitats de l’obra.
Destaca també la llosa de 15.000 m2 que cobreix l’estació i que se sosté en 222 pilars de formigó i 18 metàl·lics.
Compta amb murals de Subirachs (en formigó) i de Víctor Bono (ceràmic). Així mateix s’hi han celebrat actes culturals entre els que es pot destacar la Setmana del Llibre en Català.
El 28 de febrer de 1991 s’inicien les obres de construcció d’un hotel a sobre mateix de l’estació. Aquest hotel, que és el primer que es construeix al damunt d’una estació a Espanya, té una superfície edificada de 23.000 m2 i compta amb 378 habitacions i els més moderns equipaments i serveis.
L’any 1992, amb motiu de la celebració dels Jocs Olímpics, es realitzen a l’estació unes importants obres de remodelació amb cost de 600 milions que bàsicament consisteixen en millorar substancialment la imatge i racionalitzar l’espai de la zona de serveis i les andanes. Amb aquestes obres l’estació de Sants adquireix l’aspecte d’obra acabada que no havia tingut mai, tot i que feia més de 10 anys que s’havien donat per finalitzades les obres.
