Die Stadt Köln hatte im Jahre 1850 fünf unterschiedliche Bahngesellschaften. Dabei wurde zwischen linkrheinischen und rechtsrheinischen Unternehmen unterschieden:

Linksrheinisch:

-Bonn-Cölner Eisenbahn-Gesellschaft (BCE)
-Cöln-Crefelder Eisenbahn-Gesellschaft (CCE)
-Rheinische Eisenbahn-Gesellschaft (RhE)

Rechtsrheinisch:

-Bergisch-Märkische Eisenbahn-Gesellschaft (BME)
-Köln-Mindener Eisenbahn-Gesellschaft (CME).

Die Vielzahl an Bahngesellschaften sowie die besondere Lage der Strecke am Rhein und Dom führten 1857 schnell zu der Erkenntnis, dass ein zentraler Bahnhof geschaffen werden müsse, um als Verbindungsglied zu dienen.

So wurde der „Centralbahnhof“ gebaut und 1859 zusammen mit der Dombrücke (heute: Hohenzollernbrücke) eröffnet. Als Besonderheit galt, dass an vier Koppfgleisen die Züge aus dem Westen endeten, während die Züge aus dem Osten auf zwei Durchgangsgleisen umdrehten. Betrieben wurde der Centralbahnhof von RhE, die mit BCE fusioniert waren. Bereits sehr früh waren die Kapazitäten des Bahnhofs ausgereizt, ein Ausbau stand jedoch bis zur Verstaatlichung der Eisenbahngesellschaften nicht zur Debatte.

Die Verstaatlichung der Bahnen wurde um 1880 besiegelt, so dass mit der Planung eines neuen, größeren Hauptbahnhofs begonnen werden konnte.

Insgesamt gab es zwei Pläne für den Hauptbahnhof.

– Neubau an anderer Stelle und Nutzung des Centralbahnhofs als Nebenbahnhof

– Centralbahnhof Ersatz an gleicher Stelle

Letztlich hatte der zweite Vorschlag mit knapper Mehrheit gewonnen. Mit der Idee ging der Bau zweier kleinerer Personenbahnhöfe Köln West und Köln Süd einher sowie eine Umgehungsbahn für den Güterverkehr, um den hohen Verkehrsbedarf zu decken.

Mit den Bauarbeiten wurde 1889 begonnen. Wie geplant wurden die Gleise angehoben und ein Empfangsgebäude für die Passagiere errichtet. 1894 wurde die Bahnsteighalle fertiggestellt und darin ein zweistöckiges Wartesaalgebäude errichtet mit zentralem Zugang zu den neuen 8 Kopfgleisen (je 4 für West- bzw. Ostverkehr). Zusätzlich standen zwei Durchgangsgleise zur Verfügung.

1909 wurden weitere Umbauarbeiten veranlasst, deren wichtigste Merkmale die Südbrücke für den Güterverkehr und die Hohenzollernbrücke für den Personenverkehr wurden. Das Wartesaalgebäude wurde wieder entfernt und sämtliche Gleise zu Durchgangsgleisen ausgebaut. Außerdem wurde auch ein weiteres Gleis hinzugefügt. Es wurde auch damit begonnen, die unteren Bereiche des Bahnhofs unter den Gleisen vermehrt für Geschäfte zu nutzen.

Im Krieg wurde der Kölner Hauptbahnhof zerbombt und die den Rhein überquerende Hohenzollernbrücke gesprengt, so dass enorme Wiederaufbauarbeiten besondere Erwähnung verdienen. Zudem verlief der Wiederaufbau nur sehr schleppend, weil sogar überlegt wurde den Hauptbahnhof an einer anderen Stelle in der Nähe des heutigen Mediaparks zu errichten.

Fast ein Jahrzehnt später wurde der zerstörte Teil schließlich durch ein modernes Gebäude ersetzt. Das teilweise beschädigte Emfangsgebäude wurde erst mitte der 50er Jahre abgerissen und die neue Eingangshalle wurde dann im Anschluss im Jahre 1957 eröffnet. Zusätzlich entstand ein zweiter Bahnhofsvorplatz, der sogennate Breslauer Platz.

Nur die Wartesääle der 1. und 2. Klasse konnten den 2. Weltkrieg überstehen und werden heute als Restaurant- und Veranstaltungsraum genutzt. Bei den Kölnern hat sich dieser Ort als „Alter Wartesaal“ einen Namen gemacht.

Als die S-Bahn gebaut wurde, sind schrittweise zwei neue Gleise (10 und 11) dazugekommen. Erst wurde dabei der Bahnhof mit freistehenden Betonpilzen um die Gleise erweitert (1975) und dannach im Jahre 1989 auch die Hohenzollernbrücke. Die Erweiterung mach Norden war im Vergleich dazu deutlich unkomplizierter.

Die Sanierung und Rennovierung der denkmalgeschützten Haupt-Halle wurde 1987 fertiggestellt und 1990 wurde die Bahnsteigüberdachung durch die Architekten Busmann und Haberer ersetzt. Beide Bauprofis hatten zuvor breits das nahegelegene Museum Ludwig konzipiert.

Im Jahr 2000 wurde der neue, moderne Kölner Hauptbahnhof nach erneuten kurzen Umbauarbeiten endlich eingeweiht. Gleichzeitig ist auch in der Eingangsebene ein ganzes Einkaufszentrum entstanden, die sogennanten „Colonaden“. Insgesamt hat die letzte Modernisierung ca. 200 Millionen Deutsche Mark gekostet.