Der Bahnhof steht an der Stelle der früheren Eisenbahnstation "Maria Antonia", die zwischen 1848 und 1851 entworfen und gebaut wurde.

Der Bahnhof hieß so zu Ehren von Maria Antonia von Bourbon – Sizilien, der Frau Großherzogs Leopolds II. Diese Eisenbahn verband Florenz mit den Städten Prato, Pistoia und Lucca.
Der derzeitige Bahnhof wurde 1933 – 1935 von einer Gruppe toskanischer Architekten unter Leitung des berühmten Giovanni Michelucci errichtet.
Es ist ein schönes Beispiel für funktionalen Stil, der sich, ohne seine Modernität zu leugnen, harmonisch in die bestehende Umgebung einfügt. Diese sieht man besonders auf der Seite zur gotischen S. Maria Nouvella.
Interessant sind, da sie rationale und monumentale Gestaltung miteinander verbinden, die Vorhalle mit dem Fahrkartenschalter und die Seite in Richtung Piazza Adua, sowie das Königshaus, das so heißt, weil es zum Empfang des italienischen Königs diente, ebenfalls auf der Seite zur Piazza Adua.
Dies war jedoch nicht der erste Bahnhof von Florenz, denn schon 1847 war die Station der Leopoldbahn eingeweiht worden.