La gare de Royat-Chamalières trouve son origine dans l’essor du thermalisme. Son style correspond aux bâtiments typiques de l’architecture ferroviaire de la IIIe République.
Jusqu’à la construction de la gare de Royat, les curistes descendent du train à Clermont-Ferrand et finissent leur trajet en voiture à cheval, comme Napoléon III en visite à Clermont- Ferrand et Royat en 1862.
Avec le succès de plus en plus grandissant des stations thermales, l’ouverture de nouvelles lignes de chemin de fer devient nécessaire. Trois tronçons sont construits pour leur desserte : Vichy à partir de Saint-Germain-des-Fossés en 1862, Le Mont-Dore à partir de Laqueuille greffée sur la ligne Clermont-Tulle en 1899 et Châtel-Guyon par Riom en 1912.
Décidée en 1880, la gare de Royat est inaugurée en 1886, après la construction en 1881 du viaduc sur la vallée de la Tiretaine. Les baigneurs arrivent alors des « quatre coins du monde » pour bénéficier des bienfaits de la cure thermale.
La gare est l’œuvre de l’architecte Jules Martin, assisté de l’ingénieur Colin. Le style de la gare correspond aux bâtiments typiques de l’architecture ferroviaire de la IIIe République : fonctionnel et pittoresque. La façade est composée d’un bâtiment central à deux niveaux et trois travées. Le premier niveau à larges ouvertures en arc segmentaire, précédées d’une verrière, donne sur le hall d’accueil où se trouvaient les guichets. Le second niveau abrite les appartements du chef de gare. Le jeu des matériaux, brique et pierre calcaire, évoque l’architecture Louis XIII. Le toit à croupes est couvert d’ardoises. La gare est inscrite au titre des Monuments Historiques depuis 1994.