Строительство станционного комплекса велось в составе Первой линии Московского метрополитена в соответствии с Положением Генерального плана реконструкции г. Москвы (1933 – 1935) и постановлением Совнаркома СССР от 21 марта 1933 г. Первая очередь Московского метрополитена, сданная в эксплуатацию 15 мая 1935 г. имела протяженность 11,6 км и включала 13 станций: 10 ст. на Кировском радиусе (ныне Сокольнической линии) станции – «Сокольники», «Красносельская», «Комсомольская», «Красные ворота», «Кировская» (ныне «Чистые пруды»), «Дзержинская» (ныне «Лубянка»), «Охотный ряд», «Библиотека им. В.И. Ленина», «Дворец Советов» (ныне «Кропоткинская», «Парк культуры» и 3 ст. на Арбатском радиусе (ныне Филевской линии) станции – «Александровский сад», «Арбатская», «Смоленская».
Станция сооружалась открытым способом на постоянно загруженной площади трех вокзалов. Остановить движение наземного транспорта и пешеходов было нельзя, поскольку это парализовало жизнь всей Москвы. К платформам трех вокзалов постоянно прибывали поезда. Через площадь проходили оживленные трамвайные пути. А под землей шли главный водопровод Москвы в трубе диаметром 650 миллиметров, ряд водопроводов поменьше, газовые магистрали, линии связи, электрокабели.
Чтобы не останавливать движение транспорта, над котлованом сооружали временные мосты. С этой же целью трамвайные пути перекладывали только ночью.
Летом в Москву случились сильнейшие ливни. Канализация не справлялись с отводом воды. В какой-то момент короб, куда была отведена речка Ольховкой, был поврежден.
«Буквально в несколько минут хлынувший вниз водопад размыл на своем пути песок, камни, бревна – все, что попалось на дороге. Глазам нашим представилась потрясающая картина. Размывая грунт, наводнение на 8 метров оголило нашу металлическую стену. Она стояла без крепления. На наших глазах стена начала деформироваться, прогибаясь внутрь котлована. А с внешней ее стороны, недалеко от пробегавших мимо трамвайных путей, образовалась вдоль всего котлована 5-сантиметровая трещина. Мы поняли, что снаружи началось движение грунта. Еще 10 – 15 минут – и металлическая стена обрушится в котлован», – описывал те события начальник 1-й дистанции А.С. Коробко.
Образовалась трещина, которая стала распространяться в сторону Казанскому вокзалу, который мог обрушиться. Героическими усилиями метростроевцам удалось исправить ситуацию.
В конце августа завершили сооружение железобетонной коробки будущей станции и приступили к отделочным работам. 15 октября 1934 г. на станцию прибыл первый пробный состав из двух вагонов.
Макет этой станции, показанный в Советском павильоне на Международной выставке в Париже в 1937 г., вызвал исключительный интерес к нашему метро.
По концам станционного зала расположены два просторных аванзала, соединенных с платформой широкими лестницами: к этим аванзалам подходят подземные переходы от вестибюлей, а также два продольных балкона 5-метровой ширины, остроумно посаженых консольно на путевые стены станции. Ширина станции на уровне платформы – 16,8 метра, на уровне балконов – 23 метра. Оба балкона соединены между собой поперечным мостиком, который с обеих сторон соединен с платформой лестничными маршами. Перекрытие опирается на четыре ряда колонн – два ряда на платформенной части и по одному на каждом из балконов. Значительно увеличивая площади для движения, пространственная организация станции способствует свободе маневрирования пассажиров. Первоначально пассажиропотоки на станции были аккуратно развязаны: входящие пассажиры направлялись на балконы, и они спускались на станцию в центре, выходящие поднимались по торцевым лестницам.
Все пространство между балками и прогонами потолка заполнено сложными кессонами, каждый из которых (а всего их было установлено около 400) состоит из 12 частей и весит 250 килограммов. Каждый кессон набивался отдельно в специально изготовленной по чертежам архитектора форме, после чего подвешивался по частям. Все поставленные кессоны тщательно проверялись.
В честь трудового энтузиазма молодых строителей метрополитена площадь трех вокзалов «Каланчевская» была переименована в «Комсомольскую»: такое же наименование получила и станция. Эта первая попытка включения произведений монументального искусства в архитектуру подземных сооружений метрополитена была подхвачена и в дальнейших сооружениях.
За 70 лет своего существования внутреннее убранство станции «Комсомольская-радиальная» претерпело немногие переделки, которые периодически проводились лишь согласно необходимости.
Северный вестибюль представлял собой самостоятельный наземный прямоугольный павильон, расположенный между Ленинградским и Ярославским вокзалами, выраженный в монументальных формах, обращенный входами и выходами как на площадь, так и на привокзальное пространство. Предполагалась его роль как постамента для четырех фигурной скульптурной композиции, так и неосуществленной. Архитектура вестибюля (арх. А.М. Рухлядев (1882 – 1946), В.Ф. Кринский (1890 – 1971)) была талантливо дополнена росписью потолка в технике сграффито художником В.А. Фаворским и стенным панно на тему «Комсомол» работы художника А.Г. Иванова.
В 1952 г. в результате строительства новой станции «Комсомольская» Кольцевой линии Московского метрополитена Северный наземный вестибюль был снесен и на его месте по проекту архитекторов А.В. Щусева, В.В. Варванина, О.А. Великорецкого сооружен новый Наземный вестибюль, обслуживающий обе станции как Сокольнической, так и Кольцевой линии. Объединенный новый Наземный вестибюль сохранил прием прежнего павильона с ориентацией как на площадь, так и на привокзальное пространство. Стилевая характеристика Нового вестибюля с переходными коридорами выполнена в общем «барочном» духе станции «Комсомольская-кольцевая», решена без учета более строгого характера старой станции, сводчатые перекрытия нового перехода не согласуются с прямоугольными проемами подземного аванзала радиальной станции.
Южный вестибюль (арх. А.М. Рухлядев, В.Ф. Кринский) размещен в здании самого Казанского вокзала и потому индивидуального оформления не получил, оформлены лишь входы и выходы с акцентом на фасаде и внутренние помещения.