Kajaanin asemarakennuksen suunnitteli arkkitehti C. G. Nyström, joka suunnitteli monet muutkin Savon radan asemarakennukset. Senaatti vahvisti asemarakennuksen piirustukset 13.5.1904. Nyström sijoitti rakennukseen monia ns. nikkariarkkitehtuurin tyylipiirteitä, jotka vieläkin viehättävät junamatkailijoita. Kajaanin asemaa pidetäänkin yleisesti yhtenä viehättävimmistä Savon radan asemarakennuksista. Rakennuksessa on käytetty taitavasti ns. pystyhirsitekniikkaa, minkä vuoksi rakennus ei iän myötä laskeudu, kuten tavanmukaisessa hirsitekniikassa.