Bangunan Stasiun Pekalongan memiliki bentuk dan arsitektur yang sederhana, terdiri dari bangunan utama, bangunan emplasemen dan bangunan penunjang. Bangunan utama berbentuk memanjang dengan struktur rangka kayu membentuk atap pelana bersusun tiga yang menaungi ruang hall, ruang kepala stasiun, tempat penjualan karcis dan ruang tunggu yang semuanya diletakkan secara linier sejajar dengan emplasemen. Bangunan emplasemen berupa kayu dengan konstruksi kuda-kuda yang unik membentuk rangka atap bentang lebar menaungi emplasemen yang terdiri dari peron dan dua jalur sepur. Sedangkan bangunan penunjang berupa rumah kecil beratap pelana yang dulunya gudang penyimpanan hasil bumi sekarang digunakan sebagai ruang pengatur jalur.