La transformación global de la antigua estación de ferrocarril que significaba cuadriplicar su capacidad constituyó una compleja intervención con importantes repercusiones a nivel urbano.
La misma consistió en la construcción de 2 nuevas estaciones de gran capacidad completamente nuevas, la estación de Puerta de Atocha que acogería la nueva línea de alta velocidad y situada tras la estación original, y la estación de Atocha Cercanías, que acogería las líneas que continúan hacia el túnel de la Castellana. La construcción incluyó un intercambiador que aúna las estaciones de Atocha Cercanías y la del Metro de Madrid Atocha Renfe.
El intercambiador cilíndrico es la pieza clave que soluciona los grandes desniveles entre la estación de cercanías, la de largo recorrido, la del metro y la de autobuses.
La estación original se conservó y en su interior se construyó el vestíbulo que da acceso a las otras estaciones. En el vestíbulo se encuentra un jardín tropical que ocupa el lugar que anteriormente ocuparon vías y andenes.