Kolej dotarła do Bielska w roku 1855 jako odgałęzienie Kolei Północnej Cesarza Ferdynanda z Dziedzic. Oddano do użytku budynek dworcowy zlokalizowany wówczas na północnych obrzeżach miasta. Prowadziła do niego wytyczona także wtedy ulica Kolejowa (Bahnstraße), obecnie Barlickiego. Do roku 1878 była to stacja końcowa, wtedy bowiem oddano do użytku linię do Żywca. W celu jej przedłużenia wykonano za stacją tunel o długości 268 metrów.

     Wkrótce okazało się, że istniejący dworzec jest zbyt mały do potrzeb przewozowych i rada miejska powzięła w roku 1887 decyzję o budowie nowego dworca kolejowego. Prace wykonała w latach 1889-1890 firma bielskiego architekta Karola Korna według projektu innego bielskiego architekta Karola Schulza, nawiązującego do innych obiektów dworcowych uruchomionej w roku 1888 Kolei Miast Śląskich i Galicyjskich z Kojetina przez Cieszyn i Bielsko do Kalwarii. Przy budowie nowego obiektu wyburzono halę starego dworca, ale sam budynek pozostawiono i znajduje się on do dziś przy ul. Wałowej. Na potrzeby nowego dworca wytyczono także nowa ulicę - z początku Dojazdową lub Tunelową, od 1898 roku Cesarza Franciszka Józefa (Kaiser Franz Josef-Strasse), a dzisiejszą 3 Maja. Uroczyste otwarcie nowego budynku dworca nastąpiło 26 lutego 1890 roku.

     Od 11 grudnia 1895 roku komunikację z centrum miasta zapewniała linia tramwaju elektrycznego, której przebieg wytyczono od dworca przez obecną ulicę 3 Maja, Zamkową, Partyzantów, Kustronia do Cygańskiego Lasu. Dzięki dworcowi nastąpiła szybka rozbudowa Dolnego Przedmieścia w kierunku północnym.

     W okresie międzywojennym znaczenie dworca nadal rosło, w styczniu 1920 roku uruchomiono punkt przeładunkowy wyposażony w dźwig do przenoszenia nadwozi węglarek na wózki tramwajowe i dalszego transportu do fabryk na terenie miasta.

     W okresie PRLu dokonano elektryfikacji odcinka Czechowice-Dziedzice - Bielsko-Biała (29 listopada 1963 roku), przy okazji modernizując i przebudowując stację. Z tego okresu pochodzi prawdopodobnie przejście podziemne oraz kładka prowadząca m.in. do dworca autobusowego.



     W roku 1994 obiekt został wpisany do rejestru zabytków, ale dopiero w latach 1997-2001 zaniedbany dworzec został wyremontowany. Dzięki remontowi, którego koszt wyniósł 4 mln złotych (w tym 30% z kasy miejskiej) dokonano pełnej restauracji budynku - spod warstw farby wydobyto ceglaną elewację, wymieniono pokrycie dachowe, całą stolarkę okienną i drzwiową oraz instalacje, od strony peronów wyremontowano wiatę peronową przylegającą do budynku, położono nowy bruk, a wewnątrz odkryto ciekawe polichromie w stylu pompejańskim. Wyremontowany obiekt oddano do użytku 15 września 2001 roku.

     Do 2001 roku przy peronie 1a znajdował się niewielki skansen parowozów - obecnie są tu tory postojowe dla wagonów.
W obrębie stacji (okolice ulicy Trakcyjnej) zlokalizowana jest dawna lokomotywownia wybudowana w roku 1900 - obecnie warsztaty naprawcze dźwigów kolejowych.

     Budynek obecnej nastawni dysponującej BB został wybudowany najprawdopodobniej w czasie elektryfikacji i związanej z nią przebudowy stacji. Wyburzony budynek starej nastawni był wysokim budynkiem ze strzelistym dachem krytym dachówką, bardzo podobnym do budynków nastawni wykonawczych w Czechowicach-Dziedzicach.

     Przy końcu peronu drugiego, od strony Katowic, znajdował się żuraw do nawadniania parowozów. Obecnie pozostała tylko studnia.

     Na terenie stacji znajduje się czynna waga wagonowa.

     Z rampy towarowej na dworcu korzystają żołnierze 18. Bielskiego Batalionu Desantowo-Szturmowego. Ma na niej miejsce załadunek i rozładunek sprzętu wojskowego, m.in. pojazdów typu Hummer.

     Stacja węzłowa dla linii 139, 190 i 117 (Kalwaria Zebrzydowska Lanckorona - Bielsko-Biała Główna).