Mit Eröffnung der Cöln-Mindener-Eisenbahn (CME) erhielt Gelsenkirchen die erste Bahnstation.
Die an der eingleisigen Strecke gelegene Station für den Durchgangsverkehr befand sich im Bereich des heutigen Gelsenkirchener Hauptbahnhofes.
Unter dem Applaus der geladenen Gäste erreichte der erste Zug der CME am 15. Mai 1847 Gelsenkirchen.
Amtmann Kemper aus Wattenscheid (damals gehörte Gelsenkirchen zum Amt Wattenscheid) begrüßte die Fahrgäste und erklärte die Station für eröffnet.

Da das Verkehrsaufkommen stark gestiegen war, erhielt Gelsenkirchen im Jahre 1850 ein zweites Streckengleis. Zur gleichen Zeit wurde der dringend benötigte Güterschuppen gebaut.
Im Jahre 1855 wurde die Zeche Hibernia gebaut und mit einem Gleisanschluss zum Bahnhof versehen.
Die Gleisanlagen der Carolinenglücker Bahn wurden 1859 an den Bahnhof angeschlossen.
Zu dieser Zeit kamen die Anschlussbahnen der Zechen Dahlbusch und Bonifatius ebenfalls dazu.
In den nächsten Jahren kamen weitere Bahnen hinzu, wie die Wilhelminenbahn, die Anschlussbahn Zeche Alma sowie der Schalker Verein.

Durch die Rheinische Bahn erhielt Gelsenkirchen 1872 einen zweiten Personenbahnhof gegenüber der CME Station. Von 1882-85 wurde der Bahnhof umgebaut. Es entstanden Rangiergleise und eine Freiladestrasse.
Im April 1897 wurde die neue Verbindung von Heßler über Schalke nach Gelsenkirchen in Betrieb genommen.
Gelsenkirchen entwickelte sich zur Großstadt, und so wurde ein großes Bahnhofs­gebäude gebaut und am 28. September 1904 in Betrieb genommen. Am 1. Juli 1907 wurde der Gelsenkirchener Bahnhof zum Hauptbahnhof erklärt. Auf dem Gelände zwischen den Verbindungsgleisen von und nach Rotthausen wurde ein neues Bahnbetriebswerk mit Ringlokschuppen gebaut.

Durch das Zechensterben nahm der Eisenbahnbetrieb in den folgenden Jahren wieder ab und das Bw Gelsenkirchen Hbf wurde am 1. Januar 1951 stillgelegt. 1958 wurde an der Ladestrasse ein Großmarkt errichtet, der umgehend an den Hauptbahnhof angeschlossen wurde.

1974 wurde wieder umgebaut und drei neue Bahnsteige in Betrieb genommen. Das repräsentative Bahnhofsgebäude fiel im Jahre 1982 der Spitzhacke zum Opfer. Im Jahre 1984 wurde das Dr-Stellwerk in Betrieb genommen und somit die alte Signaltechnik abgelöst.

1991 wurde der S-Bahnverkehr Dortmund – Duisburg aufgenommen.