Construído em 1864, o edifício de passageiros revelou-se insuficiente para o movimento da estação, tendo sido ampliado em 1915, com projeto do arquiteto José Coelho, num estilo que se pode considerar próximo do ideal da «casa portuguesa» de Raul Lino (varandas, alpendres, telhados).

O edifício tem uma ampla fachada constituída por cinco corpos escalonados quer em altura quer em planta. O central e os adjacentes têm três eixos de aberturas, enquanto os extremos, de menor dimensão, têm apenas uma janela no piso superior. Os corpos adjacentes ainda se distinguem por espaldares decorados com azulejos.

Em 1916, nova intervenção no edifício com os notáveis painéis de azulejos, azuis e brancos, da Fábrica Fonte Nova, da autoria de Francisco Pereira e Licínio Pinto. Na fachada virada para o cais apresentam sugestões de locais a visitar; na virada para a cidade mostram referências de Aveiro, mas também figuras típicas como pescadores, peixeiras, moliceiros. De referir ainda as composições módulo-padrão de cores azul, branco e amarelo em parte das fachadas laterais.

Este antigo edifício de passageiros encontra-se hoje sob gestão da Câmara Municipal de Aveiro, que ali pretende instalar serviços turísticos e culturais após obras de requalificação.

Em 2005 foi construído um novo edifício de passageiros com projeto do arquiteto João Lúcio Lopes, que dispõe de uma ampla passagem inferior, onde se situam lojas, bilheteiras e os acessos às linhas – a atual Estação de Aveiro serve a Linha do Norte e a Linha do Vouga, existindo devido à diferença de bitola linhas dedicadas a cada uma delas.

A Estação de Aveiro, congregando os dois edifícios de passageiros, foi distinguida em 2014 pelo sítio de viagens e turismo Tripadvisor com o Certificado de Excelência, estando incluída na lista de atrações da cidade de Aveiro – Prédios arquitetónicos. Em homenagem ao deputado oitocentista aveirense José Estêvão, em 10 de abril de 2018 foi inaugurado na estação um painel de azulejos da autoria do artista Marcos Muge.