Nádraží budova má tvar křižovatky. Čtvercový vestibul, v přímém směru podchod a po stranách chodby dlouhé asi 50 metrů. Proti vchodu se nachází vstup do podchodu k nástupištím 2, 3 a 4. Po stranách schodiště projdete na 1. nástupiště, a z něho na 5. nástupiště, odkud odjíždějí vlaky na Prostějov. V rozsáhlé nádražní budově se nachází vše potřebné pro chod velkého nádraží (pokladny, úschovny, čekárny, restaurace atd.). Z nádražní budovy vede pod nádražím nový podchod, dlouhý asi 200 metrů, který spojuje nádražní prostor s městskou částí Staré Hodolany, vybudovaný v 90. letech 20. století.
První olomoucké nádraží vzniklo v polovině 19. století, když byla v roce 1841 postavena trať Vídeň – Olomouc, prodloužená roku 1845 do Prahy. Olomouc v té době byla vojenskou uzavřenou pevností, kolem níž nebylo možné stavět žádné budovy a tedy ani nádraží. Proto bylo postaveno relativně daleko od města. V letech 1936–1938 byla staniční budova od základů přestavěna, zhruba do podoby, kterou známe dnes. Návrh vypracoval Antonín Parkmann, vestibul upravil Lubomír Šlapetka a sgrafitovou výzdobu nádražní haly vytvořil Wilhelm Zlámal. V současnosti začala přestavba nádražní budovy i odbavovacího prostoru (nástupišť). Tato přestavba má intenzivně probíhat zejména od roku 2014 a dokončena má být v roce 2016.