Первоначальное здание вокзала было типичным для станций 4-го класса: деревянное, одноэтажное с мезонином, где проживал начальник станции. Для обеспечения паровозов водой был проложен водопровод к Нижнему пруду и установлена водокачальная машина. В 1908 году по проекту В.К. Филиппова был построен новый вокзал в стиле модерн, включавший два пассажирских зала, буфет и почтовое отделение.

В начале XX века станцией ежедневно пользовались 200 пассажиров 1-го и 2-го классов и 900 пассажиров 3-го класса, а в праздничные дни их количество увеличивалось до нескольких тысяч.

С момента постройки Курской железной дороги местность вокруг станции активно застраивалась дачами. В пристанционных поселках насчитывалось до 1000 дач, а летом в них проживало до 15 000 дачников. Это обстоятельство повлияло на название станции, и 1 января 1904 года её переименовали в «Царицыно-Дачное». Такое название сохранялось до 1960 года, когда станция и окружающие поселки вошли в черту Москвы, и ей вернули первоначальное имя, «Царицыно».

Полная реставрация вокзала, признанного памятником культурного наследия, была проведена в 1998 году. В 2007 году фасад здания окрасили в бежевые тона, чтобы подчеркнуть старинную кирпичную кладку, предполагая, что именно так вокзал выглядел более ста лет назад. На фотографии около 1910 года видно, что здание было из красного кирпича с белыми наличниками. Также был проведен капитальный ремонт пассажирских платформ: асфальт заменили на тротуарную плитку серого и красного цветов, что ассоциируется с цветами Царицынского ансамбля.