La estación ff. cc. de Palencia se encuentra al norte de la ciudad, a escasa distancia del centro urbano. Su edificio para viajeros es una clara muestra del clasicismo francés con una estructura simétrica en forma de U compuesta por un cuerpo central dos alas laterales y dos anexos finales. Todo ello sobre dos plantas y con disposición lateral a la vía.
La estación de tren de Palencia forma parte de los ejes ferroviarios principales de Adif: la línea convencional Venta de Baños-Gijón y la línea Palencia-Santander, además de ser un nodo clave en la Línea de Alta Velocidad (LAV) Valladolid-Palencia-León.