Decyzja o budowie w Katowicach nowego dworca zapadła pod koniec lat 50. XX wieku, gdy stary dworzec znajdujący się przy ulicy Dworcowej okazał się za mały dla tak dużego miasta. Konkurs na budowę został rozstrzygnięty w roku 1959, a w ocenie jury praca "Tygrysów" została określona jako "wybitnie wyróżniająca się spośród innych opracowań...". Najwcześniej powstał pawilon od strony placu Andrzeja w 1964 roku. Pod budowę głównego gmachu zburzony został kwartał budynków w rejonie ulic 3 Maja, Młyńskiej i Stawowej zabudowany eklektycznymi kamienicami. Budowę całej stacji ukończono w 1972 roku. Architekci przy konstrukcji wykorzystali bardzo efektowne ówcześnie formy wielkich betonowych "kielichów", które podtrzymują strop górnej hali.
Wraz z budową nowego dworca PKP Polskie Linie Kolejowe S.A. wykonały przebudowę infrastruktury stacji, służącej do obsługi podróżnych. Prace rozpoczęły się 22 sierpnia 2011 począwszy od peronu 1., którego modernizację rozpoczęto 1 września 2011. Prace te polegały na kompleksowej przebudowie peronów 1., 2., 3. i 4. (rozbiórka starych peronów i budowa nowych, a także instalacja elementów małej architektury), zadaszenia (wyburzenie starego i postawienie nowego w formie zakrytej hali peronowej z przezroczystymi elementami), układu torowego (przebudowa 3423 m toru pojedynczego), sieci trakcyjnej (prawie 6 km), urządzeń sterowania ruchem kolejowym, tuneli podziemnych (wymiana posadzki oraz renowacja ścian i sufitów) i instalacji infrastruktury dla osób niepełnosprawnych. Modernizację stacji ukończono w drugiej połowie 2013.