Modernizacja dworca i jego otoczenia trwała nieco ponad półtora roku. Była realizowana w  ramach Programu Inwestycji Dworcowych na lata 2016-2023 z dofinansowaniem ze środków unijnych z Programu Operacyjnego Infrastruktura i Środowisko.  Dzięki niej pochodzący z 1867 roku obiekt odzyskał historyczne piękno. Renowacji poddano ceglaną elewację wraz z detalami architektonicznymi. Po oczyszczeniu cegły odkryto na niej geometryczne wzory wykonane z ciemnozielonej szkliwionej cegły. Uwagę zwracają również grafitowe kolumny zlokalizowane przy wejściach głównych oraz pomiędzy niektórymi oknami, a także odtworzona na wzór oryginalnej ciemnobrązowa stolarka okienna i drzwiowa. Całość uzyskanego efektu estetycznego podkreśla nowa iluminacja dworca.

Prawdziwą metamorfozę przeszło wnętrze budynku. Stało się funkcjonalne, nowoczesne i przystosowane do współczesnych standardów obsługi podróżnych przy jednoczesnym poszanowaniu dla jego walorów architektoniczno-historycznych. Przestrzeń obsługi podróżnych jest utrzymana w jasnej kolorystyce. Ściany holu posiadają geometryczny kasetonowy deseń, a w dolnej ich części wykonano okładzinę z ciemnozielonej płytki szkliwionej. Taka kolorystyka doskonale pasuje do odtworzonych na wzór oryginalnych geometrycznych ceramicznych posadzek. Z równie dużą pieczołowitością odtworzono wystrój poczekalni. Na ścianach przywrócono drewniane boazerie i wzorzyste tapety, a na podłodze oryginalną posadzkę. Poddano tam również renowacji grafitowe żeliwne kolumny, które jeszcze niedawno były całkowicie niewidoczne, bo zamurowane w ścianie. Poza estetyką zadbano również o komfort obsługi podróżnych. Umieszczono w niej nowe ławki, gabloty z rozkładem jazdy pociągów oraz elektroniczne tablice przyjazdów i odjazdów pociągów. Na parterze budynku zlokalizowano również toalety (w tym dla osób z niepełnosprawnościami), pomieszczenie dla opiekuna z dzieckiem, posterunek Straży Ochrony Kolei oraz lokale pod wynajem. Natomiast na piętrze będą mieścić się biura PKP CARGO SA.  

Podczas przebudowy wprowadzono wiele usprawnień dla osób o ograniczonej sprawności ruchowej. Zlikwidowano bariery architektoniczne, zamontowano oznaczenia w alfabecie Braille’a, tablice dotykowe z planami dworców oraz ścieżki prowadzące wewnątrz obiektu oraz jego  otoczeniu. Ułatwią one przemieszczanie się osobom niewidomym i niedowidzącym.
 
Dzięki przebudowie dworzec stał się bardziej ekologiczny i bezpieczny. Zamontowano w nim nowe energooszczędne oświetlenie w technologii LED wraz z automatyką sterującą. Natomiast w celu ograniczenia strat ciepła wykonano ocieplenie budynku od wewnątrz oraz montaż stolarki okiennej i drzwiowej o niskim współczynniku przenikalności ciepła. W celu optymalizacji zużycia energii elektrycznej, cieplnej i wody zamontowane w budynku urządzenia i systemy będą nadzorowane przy pomocy systemu BMS (Building Management System). Z kolei poprzez montaż nowoczesnych systemów bezpieczeństwa – monitoringu, kontroli dostępu, sygnalizacji włamania i napadu oraz przeciwpożarowych – poprawie uległo bezpieczeństwo osób i mienia.
 
Znaczną metamorfozę przeszło bezpośrednie otoczenie dworca. Całkowicie na nowo zaprojektowano organizację ruchu w jego sąsiedztwie. Na placu, wokół centralnie zlokalizowanej wyspy z zielenią i ławkami, umiejscowiono zatoczkę dla autobusów wraz z wiatą, miejsca postojowe dla samochodów, w tym elektrycznych oraz typu kiss&ride, a nieco bliżej wejścia do dworca, miejsca dla osób z niepełnosprawnościami, rodzin z dziećmi, motocykli oraz wiatę rowerową, pod którą znalazły się 24 stojaki dla jednośladów. W ramach inwestycji wybudowano również nowe chodniki oraz zamontowano elementy małej architektury (oświetlenie, kosze, ławki). Z boku dworca powstał także nowy parking dla samochodów służbowych.
 
Łączny koszt zakończonej inwestycji to 33,5 mln złotych.
 
Wałbrzych Główny jest 15. dworcem kolejowym w województwie dolnośląskim zmodernizowanym w ramach Programu Inwestycji Dworcowych na lata 2016-2023. W ramach tego samego programu trwa obecnie przebudowa dworców w Bolesławcu i Węglińcu, a kolejne dwie inwestycje w Oławie i Oleśnicy są na etapie przygotowania.