Wie ein kleines Schloß wirkt das Bahnhofsgebäude mit dem Kuppelbau und den beiden Seitenflügeln noch heute, das 1913 nach Plänen der Architekten Biecker und Röttcher für die Königlich-Preussische Staatsbahn errichtet wurde. Der Personenbahnhof war nach dem Bau der rechtsrheinischen Umgehungsbahn von Mülheim über Deutz nach Kalk notwendig geworden.

Der Deutzer Bahnhof ist ein Turmbahnhof. In ihm kreuzen sich auf zwei Stockwerken zwei Gleisstränge (eine rechtsrheinische Nord-Süd-Achse und eine über die Hohenzollernbrücke zum Kölner Hauptbahnhof führende West-Ost-Achse).

Der Bahnhofsvorplatz ist nach Nikolaus August Otto, dem Erfinder des Viertaktmotors und Mitbegründers der Klöckner-Humboldt-Deutz AG (KHD) benannt - ein Denkmal des Otto-Motors ist selbstverständlich hier zu finden.