באתר הנוכחי ניצבו לאורך ההיסטוריה שלושה מבנים אשר שימוש כתחנות רכבת מרכזיות.

התחנה הראשונה באתר

התחנה הראשונה באתר נקראה "תחנת גרנד סנטרל" (Grand Central Depot - "גרנד סנטרל דיפו") ותוכננה לשמש את קווי רכבת ניו יורק סנטרל, רכבת ניו יורק והארלם ורכבת ניו יורק וניו הייבן של קורנליוס ואנדרבילט. התחנה, שנועדה לשלב את רציפי כל החברות תחת מבנה אחד, נפתחה באוקטובר 1871. בעת הקמתה תוכנן מעבר משולב לתוך המבנה החדש - רכבת הארלם נועדה לעבור לתחנה ב-9 באוקטובר 1871 מהתחנה שהייתה להם ברחוב 27, רכבת ניו הייבן נועדה לעבור לתחנה ב-16 באוקטובר, וקווי ניו יורק סנטרל ב-23 באוקטובר. המעבר ההדרגתי נועד להקל על העומס בימים הראשונים של התחנה ולמנוע בלבול. בפועל קווי ניו יורק סנטרל עברו לתחנה רק ב-1 בנובמבר.

מבנה התחנה היה בצורת האות "L" כאשר הצד הקצר של המבנה היה לאורך רחוב 42, והצד האורך לאורך שדרת ונדרבילט. התחנה היוותה חידוש בכך שגובה הרציפים היה בגובה רצפת הקרונות, וכי אזור הרציפים היה מקורה.

התחנה השנייה באתר

בין השנים 1899–1900 נהרס מבנה התחנה ונבנה מחדש (מספר הקומות הוגדל משלוש קומות לשש קומות), ומיקום הרציפים באזור הרציפים שונה, במטרה להקל על העומסים ועל סיבוב הרכבות. המבנה החדש נקרא "תחנת גרנד סנטרל" ("גרנד סנטרל סטיישן" - Grand Central Station).

התחנה השלישית באתר הקמת התחנה

בין השנים 1903 ו-1913 נהרס מבנה התחנה בשלבים, ובמקומם נבנה המבנה הנוכחי - "גרנד סנטרל טרמינל" אשר תוכנן על ידי משרדי האדריכלים ריד וסטרן (Reed and Stern) ווורן ווטמור (Warren and Wetmore). ריד וסטרן תכננו את המבנה, ואילו וורן ווטמור הוסיפו את העיטורים בסגנון הבוז-אר. המבנה החדש נפתח ב-2 בפברואר 1913.

בחזית המבנה הוצב פסל מעשה ידי ז'ול אלקסי קוטן ( Jules-Alexis Coutan) - בעת הקמתו, אחד הפסלים הגדולים בעולם. גובה הפסל היה 15 מטרים, וקוטר השעון שבמרכזו - 4 מטרים. הפסל תיאר את האלים מרקוריוס, הרקולס ומינרווה מהמיתולוגיה הרומית.

כיסויה של שדרת פארק

בשל תנועת הרכבות ההולכת וגדלה לתחנה, הוחלט לנצל את שינוי מערכת הרכבות (וחישמול המסילות) על מנת להוריד את מפלס המסילות אל מתחת לפני הקרקע, ולבנות תחנה דו מפלסית תת-קרקעית, בתכנונו של ויליאם ג'. וילגוס (William J. Wilgus), המהנדס הראשי של רכבת ניו יורק סנטרל.

בהתאם לתוכנית, הרכבות הנכנסות ירדו אל מתחת לאדמה ועברו מתחת שדרת פארק, לעבר המפלס העליון (אם מדובר ברכבות בינעירוניות) או המפלס התחתון (רכבות פרווריות).

מסילות מעגליות איפשרו את סיבוב הרכבות.

הורדת המסילות אל מתחת לקרקע איפשרה את מכירת השטחים שמעל המסילות - שטחים מבוקשים בעלויות רבות, עליהם נבנו מגדלי מגורים ומשרדים.

הורדת המסילות והטרמינל החדש איפשרה בניית כביש עילי העוקף את התחנה ומקשר את שני חלקי שדרת פארק.

טרמינל סיטי

מבנה התחנה כללו בסמוך את מלון קומודור ומבני משרדים אשר זכו לכינוי "טרמינל סיטי". בשנת 1928 נבנה בסמוך גורד שחקים עבור הנהלת ניו יורק סנטרל (כיום בניין הלמסלי) מצדו הצפוני של מבנה התחנה.

בשנות ה-30 של המאה ה-20 נבנה בתחנה רציף סודי - רציף מספר 61, עבור פרנקלין דלאנו רוזוולט אשר איפשר לו להגיע ישירות למלון וולדורף אסטוריה[1].

בין השנים 1939–1964 רשת הטלוויזיה CBS השתמשה בשטחי הקומה השנייה של בניין התחנה ובמקום הוקמו 4 אולפני טלוויזיה. מאולפני התחנה שודרה התוכנית "חדשות הערב של CBS" עם דגלס אדוארדס. כמו כן שודרו מאולפני אלו התוכנית "See It Now" של אדוארד מורו ובה דיווחים על הסנטור ג'וזף מקארתי.

שטחי האולפנים משמשים כיום כמגרשי טניס בבעלותו של דונלד טראמפ.

הצעות להריסת התחנה ובניית גורדי השחקים

בשנת 1947 עברו בתחנה כ-65 מיליון נוסעים (מספר נוסעים השווה למעשה ל-40% מאוכלוסיית ארצות הברית באותה עת). השימוש הרב בתחנה, והתחזוקה הלקויה הביאו להתדרדרות במצב התחנה. החל משנה זו פחת מספר הנוסעים, בשל עלייתם של קווי התעופה הפנימים ובניית מערכת הכבישים המודרנית הבינעירונית.

בשנת 1954 הציע ויליאם זקנדורף להרוס את המבנה ולהקים במקומו בניין בן 80 קומות (הגבוה מבניין האמפייר סטייט). תוכנית זו נזנחה, ובמקומה הוצע בשנת 1955 להקים מגדל נוסף צפונית לתחנה במקום בו עמד בניין המשרדים בן שש הקומות של התחנה. תוכנית זו אושרה בשנת 1958 ומגדל פאן אם (Pan Am Building), שנקרא כיום בניין מט לייף) הושלם בשנת 1963.

בשל הירידה במספר הנוסעים, עמדה חברת רכבות ניו יורק סנטרל, על סף פשיטת רגל, ובשנת 1968 מוזגה עם רכבת פנסילבניה לחברה אחת בשם פן סנטרל (גם חברת רכבת פנסילבניה הייתה בקשיים כלכליים, ובשנת 1964 הרסה את תחנת פנסילבניה ועל מקומה הוקם בניין משרדים והמבנה החדש של המדיסון סקוור גארדן).

בשנת 1968 הציגה חברת פן סנטרל תוכנית להקמת מגדל במקום התחנה (מגדל שאמור היה להיות גבוה מבניין פאן אם). תוכניות אלה זכו להתנגדות ציבורית רבה.

עיריית ניו יורק הגישה תביעה נגד החברה, ובשנת 1978, בתיק פן סנטרל תחבורה נגד עיריית ניו יורק (אנ') דן לראשונה בית המשפט העליון של ארצות הברית בשאלת שימור מבנים בעלי חשיבות היסטוריים, וקבע כי החלטות העירייה בדבר שימור מבנה אינם פגיעה אסורה בחופש הקניין (פגיעה הסותרת את התיקון החמישי לחוקת ארצות הברית).

חברת פן סנטרל פשטה רגל בשנת 1970, ונכסניה נרכשו על ידי חתמי אמריקן פרימייר (American Premier Underwriters), לימים, אמריקן פיננשל גרופ (American Financial Group).

פיגוע הטרור

ב-11 בספטמבר 1976 קבוצה של טרוריסטים קרואטים הטמינה פצצה במבנה התחנה. הפצצה התגלתה אולם ניסיונות לנטרלה נכשלו. החבלן המשטרתי נהרג בפיצוץ, ונפצעו למעלה מ-30 איש.

שיקום התחנה  המפלס התחתון של התחנה אזור המסעדות במפלס התחתון של התחנה

בשנת 1974 רכש דונלד טראמפ את מלון קומודור הנמצא מזרחית לתחנה בעלות של 10 מיליון דולרים, והפך אותו למלון מרשת האייט. טראמפ הציע, בתמורה לפטור ממיסוי, לשפץ את חזית התחנה, והחזית כוסתה בזכוכית (חזית האבן המקורית נמצאת מתחת לחזית הזכוכית). המלון נפתח בשנת 1980 - פתיחה שהביאה לשיפור מעמד האזור ולעליית שוויים של הנכסים באזור התחנה. המלון נמכר לימים על ידי טראמפ בעלות של 142 מיליון דולרים.

בשנת 1991 עזבה חברת אמטרק את התחנה ועברה למבנה אמפרייר. מאז משמשת תחנת גרנד סנטר אך ורק את רכבת מטרו נורת'.

בשנת 1994 חתמה רשות התחבורה המטרופולינית של ניו יורק על הסכם חכירה ל-280 שנה למבנה, והחלה את שיקומו של המבנה המוזנח. מרבית עבודות השיקום הסתיימו בשנת 1998 ויתרתם בשנת 2007.

במסגרת העבודות הוסרו שלטי פרסומת רבים ושופץ המבנה המרכזי על תקרתו המצוירת. לצורך השיפוץ נמצאה המחצבה המקורית בטנסי והובאו ממנה לבנים לצורך החלפת לבנים שנפגעו. חזית המבנה שופצה ונוקתה, תוקנו חלונות המבנה (שחלקם נאטמו עוד במהלך מלחמת העולם השנייה בעת שהוחלט על האפלת העיר).

תחנת הרכבת של קו לונג איילנד

מחקר שנערך על ידי רשות התחבורה המטרופולינית הראה כי יותר ממחצית הנוסעים בקווי רכבת לונג איילנד עובדים בסמיכות לתחנת גרנד סנטרל לעומת תחנת פן. בעקבות המחקר החליטה הרשות לבנות תחנת רכבת של הקו בתוך מבנה תחנת גרנד סנטרל. מבנה זה יהיה דו מפלסי, ובמסגרתו יחפרו שמונה מסילות מתחת לשדרת פארק (27 מטרים מתחת למסילות מטרו נורת' ו-43 מטרים מתחת לפני הקרקע).

עלות הקמת מבנה התחנה המשוער עלה מ-4.4 מיליארד דולרים בשנת 2004 ל-6.4 מיליארד דולרים בשנת 2006.

העבודות צפויות להסתיים עד שנת 2012.