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C'est la partie la plus ancienne des bâtiments actuels, dont les plans ont été élaborés par les architectes Henri Madelain et Pierre Lefol. Elle est construite un peu plus à l'est du site de l'ancienne gare de Nantes - Orléans. Les premiers coups de pioche sont donnés en 1965, pour une mise en service trois ans après.
Rénovée en 1997 à l'occasion, notamment, de la coupe du monde de football qui se déroula en partie dans la cité des ducs, elle se compose d'un vaste hall de départ et d'un petit hall d'arrivée, séparés par une brasserie et des sanitaires. À côté du hall de départ a été aménagé un grand espace de vente où l'on peut se renseigner et acheter ou échanger ses billets. À côté du hall d'arrivée est situé un bureau de tabac /presse ainsi qu'une boulangerie.
Un grand passage souterrain abouti dans la gare nord par une pente douce (hall de départ) et un escalier (hall d'arrivée). Un passage souterrain plus étroit abouti quant à lui, uniquement dans le hall de départ par un escalier et un ascenseur. L'accès aux voies 1, 52, 53 et 54 se fait en revanche directement depuis le hall de départ qui est ouvert sur le quai.
La gare nord est desservie par la ligne 1 tramway, ainsi qu'une ligne de bus (ligne 12) reliant ainsi la gare directement au centre-ville. Un parking en plein air et un parking-silo sont situés à proximité immédiate du bâtiment. Les taxis stationnent quant à eux tant bien que mal devant l'entrée de la gare (dépose-minute).
La gare nord n'est pas mise en valeur comme la gare sud, et est plus ou moins dissimulée derrière une rangée d'arbres et les bâtiments qui lui font face.
Une tour adjacente au hall d'arrivée et se prolongeant à l'est par un long bâtiment de même architecture abrite les locaux de SNCF Pays de la Loire.
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Attention aux nombreux moldus présents sur le site !