Realizzata su progetto dell'architetto pistoiese Angelo Gamberai, la Stazione di Pistoia era uno dei più importanti nodi ferroviari del Granducato. In origine era costituita da varie sale ed uffici, da un capannone per le locomotive e da una zona riservata alle merci. Nel 1887 ne fu decisa la ricostruzione, ultimata due anni dopo.

A Pistoia convergevano tre strade ferrate: la Maria Antonia, che partiva dall'omonima Stazione fiorentina, la Lucchese che partiva dalla Stazione di Lucca, e la Porrettana che attraversava l'Appennino. La strada ferrata Lucca-Pistoia, che a Pistoia si collegava con il tratto proveniente da Firenze, e a Lucca con quello proveniente da Pisa, fu realizzata in varie fasi. Nel 1844 il duca di Lucca Carlo Lodovico di Borbone autorizzò la costruzione della linea da Lucca al confine con il Granducato e, due anni dopo, Leopoldo II fece altrettanto per il tratto compreso nel Granducato. La linea da Montecatini a Lucca fu aperta nel 1853. L'attraversamento della collina di Serravalle, fra Pistoia e Montecatini, riservò molti problemi, risolti con la costruzione di una galleria progettata dall'ingegnere Tommaso Cini e aperta nel febbraio 1859. La linea Porrettana fu terminata nel 1864. Rappresentava per il tempo, con gli alti ponti e con le numerose gallerie, un'ardita opera ingegneristica. Ancora oggi è possibile percorrerla e coglierne l'antico fascino.