È nata nell'ambito dei lavori per la linea ferrata “Direttissima” che doveva collegare Roma e Napoli ed è uno dei più riusciti esempi di passaggio dallo stile floreale al Décò. La stazione di Mergellina, posta sull’ultimo tratto del corso Vittorio Emanuele, accanto alla Galleria delle IV Giornate e al “parco vergiliano” (quello che ospita i sepolcri di Virgilio e Leopardi), non molto distante dal porto da cui partono gli aliscafi per le isole, all’inizio si chiamava semplicemente “Chiaia”: l’edificio fu eretto tra il 1925 e il 1927 secondo il progetto dell’ingegnere Gaetano Costa, uno dei più quotati dell’epoca tanto da essere l’unico progettista partenopeo a partecipare all’importante concorso internazionale per il palazzo della Società delle Nazioni a Ginevra. Altre fonti sostengono invece che sia stata realizzata dall’impresa dell’ingegnere Leopoldo De Lieto su progetto del collega Giovan Battista Milani, progettista anche delle stazioni ferroviarie di Milano Porta Nuova e Venezia Santa Lucia.

La stazione fu inaugurata il 28 ottobre – data simbolo del fascismo, che ricordava il giorno della Marcia su Roma, avvenuta il 28 ottobre del 1922 - mostrandosi fin da subito come opera emblematica in piena coerenza, malgrado la mole, con l’aspetto esteriore di questa zona alta di Mergellina nella quale, nello stesso periodo, si svilupparono il palazzo d'Arata ed il palazzo De Fazio (rispettivamente a sinistra e di fronte alla chiesa di Santa Maria di Piedigrotta). L'esterno è caratterizzato dalla presenza di decorazioni a stucco, pilastri sporgenti e colonne; il pian terreno è decorato da un bugnato rustico. Due archi laterali, riccamente decorati, corrispondono ai due accessi della stazione, mentre quello centrale in alto ospita un orologio in oro e azzurro sorretto da angeli in stucco (l’intero blocco è stato ripristinato durante l’ultimo restauro); di notevole pregio è anche la pensilina a sbalzo in ghisa con lucernai in vetro.

L'interno si articola intorno a due grandi saloni, uno destinato agli arrivi e l'altro alle partenze, entrambi coperti da una volta a botte cassettonata con decorazioni liberty e vetrocemento; il pavimento è in marmo prevalentemente di tipo “Calcatta” con venature oro, mentre ai lati delle sale ci sono biglietterie in legno di rovere e partiture decorative che richiamano un gusto classico. Il palazzo, sottoposto a vincolo da parte della Soprintendenza per i Beni Ambientali e Architettonici, è stato oggetto di un importante intervento di restauro conservativo e valorizzazione realizzato da Centostazioni, concluso nel 2007, e inaugurato alla presenza dell’allora Presidente della Repubblica Giorgio Napolitano. Durante questo ciclo di restauri è tornata allo splendore originario anche la Saletta Presidenziale che nel ‘900 ha offerto occasione di sosta e ristoro a ospiti e personaggi illustri in visita a Napoli, che conserva ancora oggi il mobilio originale: tavolo e sedie coordinate in legno massello e un colorato lampadario in vetro di Murano. Di questo splendido oggetto, proveniente dalla Reggia di Caserta, si racconta che sia stato offerto in dono alla Regina Margherita di Savoia durante uno dei suoi viaggi a Napoli.