La stazione di Lucca fu costruita poco prima della metà dell'Ottocento, periodo in cui le stazioni ferroviarie costituivano un esempio del connubio proficuo fra scienza, tecnologia ed arte. L'edificio fu progettato dall'ingegnere tedesco Enrico Pohlmeyer, che ne tracciò la pianta, e dall'architetto lucchese Vincenzo Pardini, che realizzò gli alzati. È tuttavia evidente l'influenza dell'architetto Lorenzo Nottolini, allora commissario della Strada Ferrata Lucca-Pisa per il Ducato di Lucca. La facciata, prospiciente le mura cittadine, si presenta sobria, ma elegante, con un doppio ordine di arcate che ne alleggeriscono la struttura. La stazione ha subito nel corso del tempo alcune modifiche che tuttavia non ne hanno alterato l'originario impianto ottocentesco.

La strada ferrata da Lucca a Pisa fu aperta alla fine del 1846, proprio negli anni in cui il Granducato di Toscana era impegnato nella costruzione di altri importanti assi ferroviari, da Firenze a Pisa (Strada ferrata Leopolda), da Firenze a Prato e a Pistoia (Strada ferrata Maria Antonia) e da Pisa a Livorno. Nel Ducato di Lucca si avviò un dibattito scientifico per scegliere il tracciato più idoneo per arrivare a Pisa. Dopo aver scartata l'ipotesi di una linea che attraversasse il Monte Pisano con un traforo, a causa dei costi eccessivi e dei lunghi tempi per la realizzazione, si ritenne che la strada pianeggiante per Ripafratta fosse preferibile, anche se più lunga e meno diretta dell'altra.