ในปี 2536-2537 รัฐบาลชวน หลีกภัยได้มีการจ้างวานบริษัทที่ปรึกษาในการศึกษาความเป็นไปได้ของรถไฟความเร็วสูง ประกอบไปด้วยบริษัท วิลเบอร์สมิธแอสโซซิเอทส์ อิงค์ , บริษัททรานมาร์ค จำกัด , บริษัท เอเซี่ยน เอ็นจิเนียริ่ง คอลซัลแตนส์ จำกัด , บริษัท ทีมคอลซันติ้ง เอนจิเนียร์ จำกัด ผลการศึกษาพบว่าควรสร้างสายกรุงเทพ-หนองงูเห่า-ระยอง โดยให้เหตุผลว่าความคุ้มค่าทางเศรษฐกิจและช่วยสนับสนุนพื้นที่ชายฝั่งทะเลตะวันออก ได้มีการอนุมัติเมื่อวันที่ 30 สิงหาคม 2537 โดยตั้งพื้นที่ห้วยขวางเป็นสถานีกลางกรุงเทพ[3] แต่โครงการถูกชะงักเพราะเกิดการยุบสภา[4]ก่อนที่จะมีการปรับสถานีกลางกรุงเทพเป็นสถานีกลางบางซื่อตามมติคณะรัฐมนตรีเมื่อ 22 พฤษภาคม 2550 ในรัฐบาลสุรยุทธ์ จุลานนท์ [5] โดยที่พื้นที่สถานีกลางกรุงเทพเดิม ปัจจุบันถูกใช้ประโยชน์เป็นที่ทำการใหญ่การรถไฟฟ้าขนส่งมวลชนแห่งประเทศไทย และศูนย์ซ่อมบำรุงของโครงการรถไฟฟ้ามหานคร สายเฉลิมรัชมงคล และรถไฟฟ้ามหานคร สายสีส้ม

ในคราวการก่อสร้างโครงการรถไฟฟ้าชานเมืองสายสีแดงอ่อน ช่วงบางซื่อ-ตลิ่งชัน เมื่อ พ.ศ. 2552 ได้ออกแบบให้มีการก่อสร้างทางยกระดับบางส่วนสำหรับเข้าสถานีกลางบางซื่อ แต่ครั้งนั้นยังไม่อนุมัติให้มีการก่อสร้างตัวสถานี เนื่องจากปัญหาการบุกรุกพื้นที่ และความไม่ชัดเจนในการออกแบบตัวสถานี ทำให้มีการโยกงานติดตั้งเสาจ่ายไฟฟ้าและสายส่งไฟฟ้า (OCS) ทั้งหมดไปรวมกับสายสีแดงเข้ม เพื่อเปลี่ยนระบบเป็นระบบไฟฟ้าในคราวเดียว จึงทำให้โครงการถูกทิ้งร้าง ไม่ได้มีการใช้งานตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา

ในปี พ.ศ. 2553 ในสมัยรัฐบาล อภิสิทธิ์ เวชชาชีวะ ได้อนุมัติโครงการสถานีกลางบางซื่อ โดยถูกเสนอเข้าเป็นส่วนหนึ่งของโครงการรถไฟฟ้าชานเมือง สายสีแดง ซึ่งเดิมกำหนดให้มีโครงสร้างสถานีจำนวน 2 ชั้น ได้แก่ชั้นที่ 1 เป็นชั้นชานชาลาสำหรับรถไฟทางไกล ชั้นที่ 2 เป็นชั้นชานชาลาสำหรับรถไฟฟ้าชานเมืองสายสีแดง และรถไฟฟ้าเชื่อมท่าอากาศยาน ส่วนต่อขยาย (ช่วงพญาไท-บางซื่อ) แต่ในปีเดียวกันเกิดการยุบสภา โครงการจึงหยุดชะงักลง

รัฐบาลยิ่งลักษณ์ ชินวัตร ลงนามในสัญญาก่อสร้างโครงการรถไฟฟ้าชานเมืองสายสีแดงเข้ม ช่วงบางซื่อ-รังสิต และสถานีกลางบางซื่อเมื่อวันที่ 18 มกราคม 2556 โดยเริ่มเปิดพื้นที่การก่อสร้างสถานีกลางบางซื่อในวันที่ 4 มีนาคม 2556 หลังเริ่มก่อสร้างเพียงไม่นาน ชัชชาติ สิทธิพันธุ์ รัฐมนตรีว่าการกระทรวงคมนาคม สั่งการให้ปรับแบบสถานีกลางบางซื่อเพื่อรองรับรถไฟความเร็วสูงและปรับแบบทางวิ่งช่วงบางซื่อ-รังสิต จากสามทางเป็นสี่ทางเพื่อให้รถไฟทางไกลสามารถวิ่งสวนกันได้โดยไม่ต้องจอดรอหลีก[6] อย่างไรก็ตาม คณะรัฐมนตรียิ่งลักษณ์ยังไม่ทันอนุมัติกรอบวงเงินปรับแบบก็เกิดการยุบสภาในปลายปี 2556 กว่าที่เรื่องนี้จะได้รับการอนุมัติโดยคณะรัฐมนตรีก็ล่วงเลยไปถึงเดือนกุมภาพันธ์ 2558[7][8] ซึ่งส่งผลให้ภาพรวมทั้งโครงการล่าช้าไปอย่างน้อยครึ่งปี

บริษัท ขนส่ง จำกัด เคยมีแนวคิดจะย้ายขนส่งหมอชิตมาอยู่ที่ขนส่งรังสิต [9]เพื่อคืนพื้นที่ให้ การรถไฟแห่งประเทศไทย เพื่อนำไปสร้างสถานีกลางบางซื่อ แต่ภายหลังพบว่าต้องใช้งบประมาณราว 2,000 ล้านบาท ซึ่งเป็นงบที่สูงเกินเท่าตัว บริษัท ขนส่ง จำกัด จึงปรับพื้นที่ใหม่ลดจาก 90 ไร่เป็น 50 ไร่เพื่อนำพื้นที่บางส่วนใช้เป็นสถานีกลางบางซื่อ รวมถึงปรับแบบการก่อสร้างสถานีเดินรถจากความสูง 5 ชั้นเหลือเพียง 2 ชั้น[10][11]

ในสถานการณ์การระบาดทั่วของโควิด-19 สถานีกลางบางซื่อเป็นหนึ่งในสถานที่ที่มีการฉีดวัคซีนโควิด-19 ตั้งแต่ช่วงก่อนเปิดให้บริการรถไฟฟ้าชานเมืองสายสีแดง[12] ต่อมาในเดือนเมษายน พ.ศ. 2565 เป็นสถานที่จัดงานสัปดาห์หนังสือแห่งชาติครั้งที่ 50 และงานสัปดาห์หนังสือนานาชาติครั้งที่ 20 เพื่อเป็นการฉลองการจัดงานสัปดาห์หนังสือแห่งชาติครบรอบ 50 ปี และครบรอบ 125 ปีการรถไฟแห่งประเทศไทย [13] และในวันที่ 29 กันยายน ปีเดียวกัน พระบาทสมเด็จพระวชิรเกล้าเจ้าอยู่หัวได้พระราชทานนามแก่สถานีนี้ว่า "สถานีกลางกรุงเทพอภิวัฒน์" โดยมีความหมายถึง ความเจริญรุ่งเรืองยิ่งแห่งกรุงเทพมหานคร[1]