这个国家铁路局车站也被称为伦敦帕丁顿车站，虽然这个名称在伦敦以外的地区被广泛的使用，但是伦敦人是很少这么称呼的。一部分的车站（也包括车棚）的历史可以追溯到1854年，当时是作为布鲁内尔的大西部铁路在伦敦的终点站。而今天则是伦敦七个由国家铁路局所管理的车站之一。 在帕丁顿地区出现的第一个车站是作为大西部铁路在帕丁顿桥路西边的临时终点站，最早的大西部铁路是从1838年开始行驶，路线是从伦敦到Taplow。在帕丁顿主车站在1854年1月16日开幕后，原本的车站则变成了货物车站。在废弃一年之后，它现在变成了一个住宅与商业混合区域的一部分。

位于帕丁顿桥路与蒲雷德街之间的帕丁顿主车站是在1854年开幕，是由伊桑巴德·金德姆·布鲁内尔所设计的，现在帕丁顿主车站的车站大厅摆放了一座布鲁内尔的雕像来纪念他，即使大部份的细部设计是出自布鲁内尔的伙伴马修·怀特（Matthew Digby Wyatt）之手。最近则在车站的北边发现了布鲁内尔非常早期的作品。玻璃屋顶是由3个熟铁制成的拱所支撑，3个拱的跨度分别为20.70米（68英呎）、31.20米（102英呎）与21.30米（70英呎），屋顶则长达213米（699英呎）。伦敦希尔顿柏灵顿饭店位在蒲雷德街（Praed）上，帕丁顿车站前方，是由建筑师菲利浦·查尔斯·哈德威克（Philip Charles Hardwick）所设计，他也是菲利浦·哈德威克之子（Philip Hardwick，为尤斯顿拱门的设计者）。希尔顿柏灵顿饭店是在1851年-1854年间所建造的。

帕丁顿车站大体上是在1906年-1915年间扩建的，在车站的北侧兴建了第4个拱，跨度为33米(109呎)，与其他3个拱相互平行。这第4个拱与其他3个拱大致相同，但是在细部结构上有所不同：它并没有与原先的袖廊相连接。

在1922年的终战纪念日（Armistice Day）上，一座纪念在第一次世界大战丧生的大西部铁路员工的纪念雕像（大西部铁路战争纪念雕像）被正式公开，由丘吉尔子爵（Victor Spencer）来揭幕。这座青铜雕像描绘出一位正在阅读信件的士兵，为英国雕塑家Charles Sargeant Jagger的作品，位于第一月台。

帕丁顿车站曾经在1961年发现一具已经腐烂的男童尸体，死因为窒息，直到现在都还未确认他的身分。 帕丁顿车站目前有14个定期的月台，从西往东依序编号1号到14号。1号到8号月台位于原本布鲁内尔于1854年设计的车棚的3个拱下方，9号到12号则在第4个拱的下方，13与14号月台位于大都会铁路古老的主教桥车站中，而在这两个月台旁则是15号与16号月台，目前是供伦敦地铁的汉默史密斯及城市线和环线使用。

6号与7号月台是专门行驶希思罗快车，而13号与14号月台只有行驶当地的短程列车，其他的月台皆有行驶车站提供的路线。但是长程的列车通常倾向使用西边的月台，而当地的短程列车则倾向使用东边的月台（包括希思罗快车在内）。

车站大厅从第1号月台延伸到第12号月台，位在伦敦4个主要车棚的下方。13号与14号月台可以从12号月台直接到达，或从穿越车站末端的人行桥（连接所有的月台）抵达。

希尔顿柏灵顿饭店的后方与车站大厅之间的区域通常被称为“草地”（The Lawn）。它原本是露天的，但是后来被建设成车站第1行人大厅的一部分。最近这个部分被重新加盖，而且用玻璃墙从大厅分割出来，现在则被几层楼的商店与咖啡店所环绕着。 帕丁顿车站是许多前往布里斯托、巴斯、南威尔士与英格兰西部的长程列车在伦敦的终点站，也是前往伦敦西部与泰晤士河谷的短程列车的终点，这些路线目前都是由大西部铁路来营运。帕丁顿车站有两种前往伦敦希思罗机场方式：搭乘希思罗高速列车直达机场或希思罗列车（Heathrow Connect）。希思罗列车的行驶的路线与希思罗高速列车相同，不过中途将会停靠其他站。当前往伯明翰的城市铁路因为工程或其他因素而无法停靠伦敦梅利本车站时，帕丁顿车站也是ㄧ个替代的终点站。

帕丁顿车站原本由城际路线所组成的，其中包括了通往北威尔士与苏格兰的路线。不过维珍铁路在2002年时已经撤出帕丁顿车站。