La gare est établie au nord de l'agglomération luchonnaise, au lieudit de Barcugnas et au départ de l'ancienne route royale de Toulouse. Elle est constituée de trois bâtiments alignés ; le principal possède un étage d'habitation surmonté d'un niveau de comble tandis que le bâtiment sud, plus long (9 travées contre quatre), se déploie seulement au rez-de-chaussée ; enfin, un dernier corps de bâtiment bas occupe au nord une travée supplémentaire. Deux marquises métalliques longent les murs gouttereaux de part et d'autre pour abriter les voyageurs lors de leur attente, montée ou descente du train, mais également lors de leur montée dans les voitures à chevaux et omnibus qui les menaient aux logements du centre-ville.

L'ensemble est construit en maçonnerie enduite avec soubassement de pierre de taille. Les baies sont surmontés d'un arc légèrement incurvé avec clé passante et imposte saillante. Les corniches sont ornées de moulures. Entre chaque baie des saillies imitant des pilastres viennent s'intercaler afin de rythmer ces longues élévations. Le pignon bas de l'aile nord comporte trois baies à l'entablement mouluré qui encadrent la plaque "LUCHON". Les deux pignons du corps central sont percés d'une baie géminée surmontés d'une corniche en mitre. Au sud, le pignon de l'aile basse est percée d'une large baie divisée par deux montants verticaux : ce type de baie est dit thermal et est une évocation directe des baies des thermes Chambert.