El edificio de viajeros de la estación de Huelva utiliza una tipología de estación intermedia, a pesar de su condición de estación término de la línea. Esto se debió a su particular situación, que hizo necesario desarrollar los espacios para la explotación ferroviaria a lo largo de una carretera. En cuanto a la forma del edificio, se debe señalar que su diseño forma parte de un programa más amplio que incluyó a todos los edificios de la línea de Sevilla a Huelva. Estos conjuntos de edificios proyectados en serie hacen posible que, con independencia de sus dimensiones y la importancia de la estación, todos ellos mantengan una uniformidad estilística.

Este tipo de construcciones en serie, partían de un módulo base o elemento común, constituido normalmente por un cuerpo central de planta baja, sobre el que se van adicionando otros cuerpos a ambos lados, conservando en todos los casos la simetría, hasta conseguir un edificio más complejo según las necesidades de cada estación.

La estación de Huelva fue proyectada junto con el resto de los edificios de la línea en el año 1878, aunque se sabe que sufrió un retraso considerable en la ejecución de la obra sobre los plazos previstos. La empresa constructora Sundheim y Doetsch comunicaba a la Compañía MZA la conclusión en febrero de 1880, y la línea quedaba abierta al tráfico el día 15 marzo de ese mismo año.

A finales del año 1879 fallecía el ingeniero encargado de proyectar todos los edificios de esta línea, D. Jaime Font y Escolá, que desarrolló gran parte de su labor profesional en las provincias de Cádiz, Sevilla y Córdoba. Fue autor también del proyecto del conocido Faro de Chipiona, importante obra de la ingeniería Civil de la época.

El acierto en el empleo del neomudéjar para la arquitectura ferroviaria se basa principalmente en la utilización del ladrillo como material principal, lo que suponía un coste no muy elevado para sus edificios, aspecto muy importante en la arquitectura industrial. Además, respondía muy bien a la lógica constructiva del sistema de módulos, y al tipo de ornamentación basada en la creación de elementos a través de los distintos aparejos.

El edificio de viajeros de Huelva es el más importante de todo el programa, y consta de tres cuerpos, uno central de planta baja y dos laterales de dos plantas. Construido en fábrica de ladrillo, plantea un repertorio ornamental basado en las formas del mudéjar, y a través del uso de aparejos consigue combinar los elementos más representativos de este estilo. La utilización del arco de herradura, las tracerías o los remates almenados, son algunos de los recursos decorativos utilizados para transmitir esa impronta monumental e histórica al mismo tiempo.

El neomudéjar, empleado por Jaime Font para todos los edificios de esta línea, fue uno de los primeros casos en los que el ferrocarril hacía uso práctico de un estilo historicista por esas fechas en España. Habían pasado todavía pocos años desde que quedara reconocido este estilo como seña de identidad nacionalista, sobre todo a partir de su elección por el arquitecto Lorenzo Álvarez Capra para el Pabellón de España en la Exposición Universal de Viena de 1873. Los proyectos de Font también servirían poco tiempo después como ejemplo para los modelos de otras estaciones ferroviarias, como fue el caso de Sevilla Plaza de Armas, proyectada en 1889 por los ingenieros Suárez Albizu y Santos Silva, o el edificio principal de la estación de Toledo (1917-1919) del arquitecto Narciso Clavería.

Actualmente se están culminando las obras para la puesta en funcionamiento de una nueva estación en la capital onubense, Huelva-Las Metas, dotada de la última tecnología y sistemas de comunicaciones adaptadas a las nuevas necesidas ferroviarias.