Dopo l'apertura delle prime due linee ferroviarie dello Stato Pontificio, la Roma-Frascati nel 1856, che si attestava a ridosso delle Mura aureliane presso la stazione di Porta Maggiore, e la Roma-Civitavecchia nel 1859, poi successivamente prolungata fino a Pisa, che aveva capolinea presso la stazione di Porta Portese, e già noti i progetti delle linee Roma-Ceprano e Roma-Ancona, si pose il problema di dare un assetto al nodo ferroviario di Roma e, in particolare, di decidere se avere un'unica stazione o una stazione per ciascuna linea.
Su pressione di monsignor de Merode, che aveva interessi immobiliari nella zona di via Nazionale, prevalse la prima ipotesi e per la nuova stazione venne individuata l'area di Termini. Questa, situata sul colle dell'Esquilino nel rione Castro Pretorio, prende il nome dalle antiche terme di Diocleziano, situate sul lato opposto dell'attuale piazza dei Cinquecento. Nell'antichità l'area comprendeva fondi rurali di famiglie patrizie. Nel Cinquecento vi fu costruita la villa Montalto-Peretti, di proprietà del cardinale Felice Peretti (poi papa Sisto V), poi acquisita dalla famiglia Massimo, che la cedette allo Stato Pontificio al momento della realizzazione della stazione, e infine demolita.
La prima stazione fu edificata a partire dal 1862 ed aperta al pubblico il 25 febbraio 1863 con il nome di Stazione Centrale delle Ferrovie Romane, in concomitanza con l'inaugurazione del collegamento ferroviario con Ceprano, e quindi con Napoli. Il 2 luglio 1868 iniziarono i lavori preliminari della nuova stazione Termini con una cerimonia d'inaugurazione alla presenza di papa Pio IX fino al momento della scelta del progetto definitivo che avvenne nel 1869 sul progetto dell'architetto Salvatore Bianchi. Dopo la breccia di Porta Pia e l'annessione di Roma al Regno d'Italia, il neonato Comune di Roma fortunatamente decise per la prosecuzione del cantiere. A conclusione dei lavori si tenne l'inaugurazione parziale nel 1873, e quella definitiva nel 1874[4]. Seguendo lo schema standard di quell'epoca, la stazione era dotata di due fabbricati viaggiatori paralleli, uno per gli arrivi ed uno per le partenze, riuniti da una tettoia metallica centrale, simile a quella costruita poco prima a Parigi alla Gare de l'Est. Sotto la tettoia trovavano posto sei binari di testa, di cui due senza marciapiede. All'esterno della tettoia, a nord della stazione si trovavano lo scalo merci, il deposito locomotive e l'officina per la manutenzione delle carrozze. Tutti questi impianti furono in seguito spostati per consentire l'ampliamento del fascio di binari e la creazione di nuovi marciapiedi per il servizio viaggiatori.