L'originaria rimessa locomotive, posta nell'area sud della stazione, era servita da un doppio binario collegato ad una piattaforma girevole del diametro di 21 m. Il fabbricato era costituito da un edificio di 19 x 50 m; era attraversato, in senso longitudinale, da due coppie di binari, disponeva di due fosse di ispezione e di undici "fosse a fuoco". La rimessa era affiancata da un edificio su due piani dove erano dislocati l'officina, gli uffici e i locali di servizio per i ferrovieri, il refettorio e il dormitorio.
In prossimità della rimessa, nel 1913 fu costruito un magazzino per il deposito di olio e un servizio igienico per il personale. L'accesso all'area avveniva a breve distanza dal fronte sud del fabbricato viaggiatori, nei pressi del magazzino destinato ad accogliere merci varie.
Sul lato nord del fabbricato viaggiatori fu innalzato il padiglione per gli emigranti, un edificio su due piani che serviva a dare ricovero ai viaggiatori che dovevano percorrere grandi distanze; successivamente i locali vennero affittati alla Regia Prefettura, che vi realizzò una camera di sicurezza per i detenuti in transito, e nel 1931 divennero sede del corpo di guardia dei Carabinieri e degli uffici delle Milizia Ferroviaria.
Nel 1917 un accordo tra Ferrovie dello Stato e amministrazione comunale permise la costruzione di due barriere per la riscossione del dazio ai margini della stazione e l'edificazione di una tettoia in ferro per il ricovero dei vetturini che svolgevano il servizio di trasporto pubblico.
Un nuovo e più grande deposito venne costruito dal 1925 a nord della stazione, con accesso da via Provinciale Pisana. Si trattava di una struttura all'avanguardia, dotata di officine, magazzini, uffici e dormitori; nel 1927 disponeva di una grande rimessa per locomotori elettrici, che costituì un vero e proprio progetto pilota per la Ferrovie dello Stato, divenendo il prototipo di numerose analoghe strutture, come Bologna (1929), Bolzano (1930), Milano (1931 ecc.). Lo sviluppo degli impianti a servizio dello scalo di Livorno continuò fino agli anni trenta del Novecento, quando in prossimità del passaggio a livello del viale degli Acquedotti venne costruita la sottostazione elettrica.
La costruzione dei nuovi impianti ferroviari ebbe ricadute importanti anche sul tessuto urbano della città; tra gli anni dieci e gli anni trenta le aree limitrofe alla stazione e al deposito furono interessate dall'edificazione di numerosi immobili destinati ai ferrovieri, che, insieme al nuovo "quartiere della Stazione", contribuirono allo sviluppo della città verso est.