Het eerste, houten treinstation in Groningen werd in 1866 gebouwd. Op dat moment liep er nog maar één lijn, die naar Leeuwarden. In de daaropvolgende jaren volgden de spoorlijnen naar Winschoten/Nieuweschans, naar Meppel/Zwolle en naar Delfzijl. Na het slechten van de vestingwallen in 1876 en de aankomende groei van de stad werd een groter gebouw noodzakelijk. Het hoofdstation werd tussen 1891 en 1893 gebouwd, naar ontwerp van de Amsterdamse architect Isaac Gosschalk, in een mix van Hollandse Renaissance-stijl en Neogotiek.

Het station bestaat uit een centraal hoofdgebouw en zijvleugels waarin zich de oorspronkelijk wachtruimtes, een restauratie en bedrijfsruimtes bevinden. De zijvleugels zijn vanuit de hal te bereiken maar ook vanuit de open galerijen langs de voorzijde. Hoogtepunt van het station is de stationshal in het hoofdgebouw; deze is rijk gedecoreerd met een cassetteplafond van papierstuc, heeft kleurrijk sjabloonwerk, gebrandschilderde vensters en grote tegeltableaus met symbolische voorstellingen van de Groninger kunstenaar F.H. Bach.

Na een ingrijpende verbouwing in 1968 verloor de stationshal haar grandeur omdat er halverwege de ruimte een tussenvloer werd geplaatst ten behoeve van een kantine voor spoorwegpersoneel, ook wel de ‘pretzolder’ genoemd. Delen van het oude plafond dreigden naar beneden te vallen. In de hal kwamen allerlei inbouwwinkeltjes en allerhande voorzieningen. Deze ingreep werd eind jaren ‘90 weer tenietgedaan toen de stationshal werd gerestaureerd. Maar dit ging niet bepaald zonder slag of stoot.

In 1994 opperde NS-business manager Rob Staal om de vroegere grandeur van de hal weer in ere te herstellen. Dit vergde het nodige lobbywerk binnen de Nederlandse Spoorwegen. Een restauratie kost immers alleen maar geld en een lege, gerestaureerde hal levert niets op. Bovendien moesten de verhuurde vierkante meters aan de winkeltjes, die veel geld opleverden, nu naar elders verplaatst worden. Desondanks werd het plan doorgezet. Stichting Restauratiefonds NS Station Groningen Centraal bracht de benodigde 16 miljoen gulden bij elkaar. Dit bedrag kwam voort uit Europesesubsidies en bijdragen van de gemeente, de provincie, de NS en het bedrijfsleven, alsmede uit giften van particulieren.

De nieuwe toevoeging in de hal, de glazen luchtbrug, werd ontworpendoor NS architect Rob Steenhuis. Deze luchtbrug was op last van de brandweer aangebracht om, in geval van brand in een van de vleugels, de gebruikers van de verdiepingen te kunnen laten vluchten. De restauratie werd uitgevoerd onder leiding van Kees Tak Architectenbureau. In 1999 werd het hoofdstation officieel heropend door koningin Beatrix.

Sindsdien staat de hal er weer prachtig, maar vrij leeg bij. Steeds vaker laten reizigers de monumentale hal links liggen en gebruiken zij een van de andere ingangen om de perronnen te bereiken. Een ontwikkeling die direct te maken heeft met de vestiging van diverse (fastfood)winkeltjes in de nabijheid van de drukste perrons en de automatisering van de kaartverkoop. In verband met de mogelijke komst van een (regio)tram en de verplaatsing van het busstation naar de zuidkant, blijft voorlopig onzeker hoe de verdere planontwikkeling rondom het stationsgebied zal verlopen.