An der Stelle des heutigen Hauptbahnhofes wurde am 15. Oktober 1847 der "Hannöversche Bahnhof" eröffnet. Nordöstlich davon befand sich der "Venlo- Hamburger-Bahnhof" der Cöln- Mindener Eisenbahn- Gesellschaft. 1867 wurde die Strecke nach Oldenburg, 1873 eine Strecke nach Uelzen und 1874 eine Strecke nach Hamburg verlegt. Schon 1872 wurde mit der Planung eines zentralen Bahnhofs für Bremen begonnen. 1884 begannen die Gleisarbeiten. Am 1. Oktober 1885 riss man den "Hamburg-Venloer Bahnhof" ab. Im Herbst 1886 begannen die Bauarbeiten des neuen Empfangsgebäudes. Die Bahnhofshalle wurde von der Union AG Dortmund in der Zeit vom 20. September 1888 bis zum 1. Juni 1889 errichtet. Der Bahnhof öffnete den Betrieb am 14/15. Oktober 1889. Die endgültige Fertigstellung war am 1. April 1891. Zwischen 1907 und 1914 wurden weitere Umbauten ausgeführt. Der Bahnhof blieb im Zweiten Weltkrieg weitgehend unversehrt. 1953/54 wurde der Westflügel im Gebäudeinneren umgestaltet. 1959/60 folgte der Ostflügel. 1961 renovierte man die Fassade. 1964 folgte die Elektrifizierung des Bahnhofs. Ein kompletter Umbau der Gleisanlagen kam 1966 zum Abschluss. 1967 sanierte man die Bahnhofshalle. 1986 renovierte die Bundesbahn die Eingangshalle. Vom 4. Mai 1998 bis zum 9. November 2001 wurde das Empfangsgebäude erneut komplett saniert. Es steht heute unter Denkmalschutz.