สถานีนี้เริ่มสร้างในรัชสมัยรัชกาลที่ 5 ในปี พ.ศ. 2453 สร้างเสร็จและเริ่มใช้งาน วันที่ 25 มิถุนายน พ.ศ. 2459 ในรัชสมัยรัชกาลที่ 6 สถานีรถไฟกรุงเทพ เดิมเป็นสถานีที่ให้บริการทั้งด้านการขนส่งสินค้า และขนส่งมวลชน ต่อมาการขยายตัวในด้านการโดยสารและขนส่งสินค้ามีมากขึ้น แต่ด้วยพื้นที่อันจำกัดเพียง 120 ไร่ จึงทำให้ต้องย้ายกิจการขนส่งสินค้าไปอยู่ที่ย่านสินค้าพหลโยธิน ตั้งแต่ปี พ.ศ. 2503 และทำการปรับปรุงสถานีรถไฟกรุงเทพให้เป็นสถานีรถไฟสำหรับบริการด้านขนส่ง มวลชนเพียงอย่างเดียว เพื่อสามารถรองรับผู้โดยสารจากทั่วทุกสารทิศของประเทศ

ตัวสถานีแบ่งเป็นสองส่วนหลัก ได้แก่ อาคารมุขหน้า มีลักษณะเหมือนระเบียงยาว และอาคารโถงสถานีเป็นอาคารหลังคาโค้งขนาดใหญ่ ซึ่งเป็นสถาปัตยกรรมแบบคลาสสิก คือ เป็นงานเลียนแบบสถาปัตยกรรมโบราณของกรีก - โรมัน จุดเด่นของสถานีหัวลำโพงอีกอย่างหนึ่งคือ กระจกสีที่ช่องระบายอากาศ ทั้งด้านหน้าและด้านหลังซึ่งประดับไว้อย่างผสมผสานกลมกลืนกับตัวอาคาร เช่นเดียวกับนาฬิกาบอกเวลาซึ่งติดตั้งไว้กลางส่วนโค้งของอาคารด้านในและด้าน นอก โดยเป็นนาฬิกาที่สั่งทำขึ้นพิเศษเป็นการเฉพาะ ไม่ระบุชื่อบริษัทผู้ผลิตเหมือนนาฬิกาทั่ว ๆ ไป

บริเวณที่พักผู้โดยสารเป็นห้องโถงชั้นครึ่ง ชั้นล่างซึ่งมีที่นั่งจำนวนมาก มีร้านค้าหลากหลาย ได้แก่ ร้านอาหาร ขนม เครื่องดื่ม ผลไม้ ขนมปัง ไอศกรีม หนังสือ ร้านขายยา ฯลฯ ก่อนถึงห้องจำหน่ายตั๋วล่วงหน้ายังมีห้องละหมาดอีกด้วย เหนือห้องประชาสัมพันธ์มีจอภาพขนาด 300 นิ้ว ควบคุมด้วยระบบดอลบีดิจิตอล ฉายเรื่องราวเกี่ยวกับการรถไฟ ส่วนชั้นลอย มีที่นั่งไม่มากนัก มีบริษัททัวร์ บริษัทรับจองโรงแรมและตั๋วเครื่องบิน บริการแลกเปลี่ยนเงินตรา และร้านกาแฟ

ที่ผนังด้านซ้ายและขวาของสถานีกรุงเทพมีภาพเขียนสีน้ำ เป็นภาพสถานที่ท่องเที่ยวที่สำคัญๆ ของประเทศ อาทิ พระบรมมหาราชวัง ตลาดน้ำ เขาวัง ภูกระดึง หาดสมิหลา ฯลฯ นอกจากนี้ที่ด้านหน้าสถานีมีสวนหย่อมและน้ำพุสำหรับประชาชน โดยข้าราชการรถไฟได้รวบรวมทุนทรัพย์จัดสร้างอนุสาวรีย์น้อมเกล้าฯ อุทิศส่วนกุศลถวายแด่พระพุทธเจ้าหลวง อนุสาวรีย์ที่ว่านี้เป็นรูป “ช้างสามเศียร” มีพระบรมรูปของพระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว แกะสลักเป็นภาพนูนสูงประดิษฐานอยู่ด้านบน

กิจการรถไฟในปัจจุบัน มีเส้นทางที่ออกจากสถานีหัวลำโพง จำนวน 4 สาย ได้แก่

• ทางรถไฟสายเหนือ ต้นทางอยู่ที่สถานีรถไฟกรุงเทพ ปลายทาง สถานีรถไฟเชียงใหม่ ระยะทาง 751.42 กิโลเมตร
• ทางรถไฟสายตะวันออกเฉียงเหนือ ต้นทางอยู่ที่สถานีรถไฟกรุงเทพ เมื่อถึงสถานีรถไฟชุมทางถนนจิระจะแยกออกเป็น 2 สาย ดังนี้
  • ปลายทางสถานีรถไฟอุบลราชธานี ระยะทาง 575.10 กิโลเมตร
  • ปลายทางสถานีรถไฟหนองคาย ระยะทาง 621.10 กิโลเมตร
• ทางรถไฟสายตะวันออก ต้นทางสถานีรถไฟกรุงเทพ เมื่อถึงสถานีรถไฟชุมทางฉะเชิงเทราแล้วแยกออกเป็น 2 สาย คือ
  • ปลายทางสถานีรถไฟอรัญประเทศ ระยะทาง 254.50 กิโลเมตร
  • ปลายทางสถานีรถไฟบ้านพลูตาหลวง ระยะทาง 184.03 กิโลเมตร
• ทางรถไฟสายใต้ต้นทางสถานีกรุงเทพ และสถานีธนบุรีเมื่อถึงสถานีรถไฟชุมทางหาดใหญ่แล้วแยกออกเป็น 2 สาย คือ
  • ปลายทางสถานีรถไฟบัตเตอร์เวอร์ธ ประเทศมาเลเซีย ระยะทาง 973.84 กิโลเมตร (นับถึงสถานีรถไฟปาดังเบซาร์)
  • ปลายทางสถานีรถไฟสุไหงโก-ลก ระยะทาง 1,142.99 กิโลเมตร

สถานีรถไฟกรุงเทพในปัจจุบัน มีสถานีหัวลำโพง ในเส้นทางของรถไฟฟ้ามหานคร สายเฉลิมรัชมงคล ให้บริการอยู่ภายในชั้นใต้ดินของสถานีรถไฟ