Nowy gmach zbudowano w latach 1868-1869, nieopodal starego. Jego uroczyste otwarcie nastąpiło 31 stycznia 1870 r. z udziałem władz miasta i kolei. Wówczas wybudowano też, stojący do dziś po wschodniej stronie, budynek mieszkalny dla kolejarzy, obsługujących brzeską stację. W latach 1871-1873 wyposażono dworzec w nowoczesne oświetlenie gazowe. W tym samym czasie dokonano również zmian urbanistycznych w okolicach dworca i przebudowano ulicę Piastowską.
Budynek dworca wykonany z klinkierowej cegły to monumentalna budowla wzniesiona na planie prostokąta z trzema ryzalitami. Środkowy nieco wyższy od bocznych mieścił wejście główne od północy i hol wejściowy. Wyróżniała go wielkość okien, które oświetlały dobrze reprezentacyjne wnętrze obejmujące dwie kondygnacje i szklany daszek nad wejściami. Ryzalit ten otrzymał też dodatkową dekorację, identyczną od frontu i peronu, w postaci ceramicznych głów (Merkury, Atena, Zeus) w okrągłych tondach, podtrzymywanych przez dekoracyjne konsole.
W gmachu dwukondygnacyjnego, podpiwniczonego dworca znalazły się na parterze obszerny westybul na osi, poczekalnie dla pasażerów od pierwszej do czwartej klasy, kasy biletowe i bagażowe, posterunek policji oraz pomieszczenia dla obsługi stacji.
Brzeski dworzec stanowi bardzo wczesny przykład recepcji architektury ceglanej szkoły berlińskiej, która nawiązywała do stylów historycznych, w tym przypadku do renesansu włoskiego i fasad florenckich pałaców. Projektantem brzeskiego dworca mógł być znakomity architekt Hermann Grapow (1827-1903), który jest autorem m.in. wrocławskich dworców Głównego (1855-1857) i Nadodrza (1866-1867).