La gare de Royat-Chamalières appartient à la famille des gares conçues par la compagnie du PO selon des types bien établis. Mais ici, comme il s'agit de desservir une station thermale de renom, tout un dispositif ornemental a été mis en œuvre : bossages, rosaces, corniche à denticules, etc. (elle est cependant la reproduction fidèle de la station de Plombières-les-Bains, dans les Vosges).

Elle se compose d'un corps de bâtiment central de plan carré, à un étage, flanqué de deux ailes latérales sur un seul niveau. Côté voies, une marquise protège les quais sur toute la longueur de la façade. La structure de cet auvent est en fonte, avec piliers cannelés à chapiteaux : actuellement remplacée par une couverture en "tôle" plastique, la couverture d'origine était en verre. Le hall des voyageurs est resté tel qu'à l'origine.