截至2018年11月，绵阳站站房采用现浇钢筋混凝土框架结构和屋面钢网架结构；站房在设计上汲取了汉代宫廷建筑“大屋顶”风格，外立面采用玻璃幕墙和石材幕墙装饰；站房使用电子引导系统、自动广播系统、视频监控系统、PDP旅客服务系统、节能中央空调、消防控制系统等客运服务设施设备。 车站采用“上进下出”为主、“平进平出”为辅的流线组织方式，结合站场、轨道交通接驳和地形特点，形成多层次、多方向、快速通过的站内交通模式。
截至2015年末，绵阳站站房长189米，宽66米，高25米，总体建筑面积15167平方米， 设计抗震烈度为7度，主楼廊柱直径达1.4米，屋檐外挑达10米， 局部地下一层，地上二层，设计聚集人数3000人。候车厅面积5308平方米，其中一楼候车厅面积2582平方米、二楼候车厅面积2726平方米，售票厅面积490平方米，行包房面积1100平方米，贵宾室面积300平方米，VIP贵宾厅543平方米。出站地道宽12米，进站天桥宽16米。
1990年7月建成的绵阳站站房分主楼和裙房，中部主楼为两层、四周裙房为一层。
截至2010年9月，绵阳站站房主体为两层，站房两侧布置有出站口、售票厅、贵宾室、设备用房及办公用房等。
截至2015年末，绵阳站站房位于线路南侧，站前广场与站台同标高。
绵阳站主楼设计者结合绵阳古今灿烂历史，汲取汉代宫廷大屋顶造型及严整的廊柱构造，并在传统文化上，运用现代的材料和结构建造方式对其重新诠释，使巍峨大气的主楼建筑兼具历史的浩瀚厚重和现代的文明，充分彰显出绵阳在中国历史长河和当代社会中的特殊地位。
1953年6月1日，绵阳站建成；同年10月1日，宝成铁路成都至绵阳段通车，绵阳站临时通车运营。当时的绵阳站仅有95平方米的候车站，300平方米的简易站台。
1955年1月1日，绵阳站正式交付运营，隶属重庆铁路管理局运输处。
1982年5月3日，绵阳站由三等站上调为二等站，隶属成都铁路局成都铁路分局。
1985年，绵阳站旅客站台增至2座，长1080米。
1989年6月28日，绵阳站站房新建工程破土动工。
1990年7月1日，绵阳站投入使用。
2008年5·12汶川地震后，绵阳站站房大楼受损严重，部分墙面坍塌，丧失了使用功能。
2009年10月，绵阳站站房灾后重建工程动工，设计总投资1.6亿元。
2010年10月1日，灾后重建的绵阳站正式投入使用，功能集城际客运、普通客运等于一体。
2012年11月17日，绵阳站站场改造工程正式启动。
2014年9月，绵阳站站台改造主体工程全部完工；同年12月20日，途径绵阳站的成绵乐城际铁路（其江油至成都段后并入西成高速铁路）正式开通运营。
自助购票
截至2018年11月，绵阳站售票厅设有15个售票窗口，23台自动售取票机。
便民设施
截至2015年末，绵阳站候车大厅二楼左右两侧设有便利店、特色食品店。 截至2018年11月，绵阳站候车厅有座椅1700座，设有服务台、旅客候车区、饮水处、快餐厅、吸烟区、卫生间、自动扶梯等便民设施，旅客还可以扫码借充电宝。
截至2019年1月，绵阳站部分动车全价票的旅客可以直接凭有效二代居民身份证原件直接验证、检票、进站、出站，无需再取纸质车票。学生票、儿童票、军残票等非全价票及已经取了纸质车票的全价票旅客，以及到站为桂林、桂林北、柳州、南宁东、烟台、济南、济南东、青岛北、淄博、淄博北、青州市、潍坊、潍坊北、三江南、白沟、衡水北、锦州南站的动车票旅客仍需凭纸质车票进站。
1955年至1989年，绵阳站共发送旅客3538.5万人次，发送货物591.6万吨，装车17.9万辆，卸车68.2万辆。
1971年，绵阳站旅客发送量达83.5万人次。
1979年，绵阳站旅客发送量达138.3万人次，日均发送旅客3789人次。
1983年，绵阳站旅客发送量达到159.1万人次。
1985年，绵阳站旅客发送量达到178.6万人次。
20世纪90年代初，绵阳站每天有20多趟列车，平均每天发送旅客1000多人。
2013年4月29日至5月1日五一假期3天，绵阳站累计发送旅客47754人次，同比增长22.9%，客流主要以短途为主。
2016年，绵阳站全年发送旅客5792192人，比2015年4950744人增加841448人，增长17.0%。
2016年12月6日至2017年12月5日，绵阳站共发送旅客602.4万人次。
2017年12月6日至2018年12月5日，绵阳站共发送旅客778.8万人次。
2018年铁路春运40天期间，绵阳站共发送旅客86.07万人次，同比增长16.3%。
截至2018年11月，绵阳站日均发送旅客2.2万人到2.4万人，高峰时段达到4万人。
