Le origini della stazione bolognese risalgono alla metà dell'Ottocento, quando ancora Bologna era sotto lo Stato Pontificio. Nel 1934, a causa della sempre più importanza strategica rivestita dalla città nei trasporti, fu ampliata e migliorata.

Il 2 agosto 1980, alle 10:25, una bomba esplose all'interno della sala d'aspetto della stazione, provocando 85 morti e oltre 200 feriti, per uno degli attentati più gravi in Europa nel dopoguerra, e il più grave di quelli avvenuti in Italia durante gli anni di piombo.

Negli ultimi anni, con l'avvento dell'Alta Velocità, è stata aperta una nuova sezione sotterranea della stazione, dove sostano i treni veloci.