Seit Eröffnung des ersten Streckenabschnitts der Nassauischen Rheinbahn 1865 verfügte Mittelheim über einen Bahnhof. 1860 wurde das von Heinrich Velde (1827–1905) entworfene Empfangsgebäude in klassizistischer Form errichtet. Der kubische Bau mit zweieinhalb Geschossen bildet das architektonische Zentrum. In den 1920er und 30er Jahren erfolgte ein eingeschossiger Erweiterungsbau. Markant ist das weit hervorragende und auf Stützen ruhende Vordach des Haupteingangs sowie das dunkel verklinkerte Erdgeschoss mit gerasterten Fensteröffnungen und einer Rotunde. Eine ähnliche, aber nicht mehr in dieser Qualität erhaltene Erweiterung findet sich am Bahnhof von Eltville am Rhein.