Der heutige Kölner Hauptbahnhof wurde 1889 bis 1894 als Nachfolger des damaligen Centralbahnhofes nach dem Dispositionsplan des Ingenieurs Grüttefien aus Berlin an gleicher Stelle neu gebaut.
Der Entwurf des Empfangsgebäudes stammte vom Aachener Architekten und Professor Georg Frentzen, die Gestaltung der Halle, Wartesaalgebäude, Viadukte und Straßenunterführungen vom Berliner Architekten und Professor Johann Eduard Jacobsthal. Die Bahnhofshalle bestand aus einer Mittelhalle und zwei Seitenschiffen. Die Mittelhalle hatte die für die damalige Zeit einmalige Spannweite von 64 Metern und eine Länge von 255 Metern und ist der einzige aus dieser Zeit erhaltene Bauteil des Kölner Hauptbahnhofs.
Damals entstand auch ein zweistöckiges Wartesaalgebäude, das aber im Zuge eines Umbaus des Bahnhofs zwischen 1905 und 1911 entfernt wurde und durch eine Erweiterung im südlichen Sockelgeschoss ersetzt wurde, dem heutigen "Alten Wartesaal".
Nach dem zweiten Weltkrieg gab es Überlegungen, den Kölner Bahnhof auf das Gelände des Güterbahnhofs Gereon zu verlegen, so dass sich der Wiederaufbau verzögerte.
Im September 1957 wurde die neue Empfangshalle, entstanden nach Plänen der Architekten Schmitt und Schneider, eröffnet. Mit ihrer schalenförmigen Dachkonstruktion und voll verglaster Fassade präsentiert sie sich als transparentes, filigran wirkendes Bauwerk.
Zwischen 1983-87 wurde das denkmalgeschützte Mittelschiff der Bahnsteighalle aufwändig restauriert.
In den 1990er Jahren wurden die aus der Jahrhundertwende stammenden Vorhallen des Kölner Hauptbahnhofs nach Plänen der Architekten Busmann und Haberer in Zusammenarbeit mit Prof. Polonyi durch eine zeitgemäße Konstruktion ersetzt. Die neuen Vorhallen sind ein filigranes, verglastes Flächentragwerk das sich als eine Reihung von Kreuzgewölben darstellt. In diesem Zuge wurde die Verglasung über dem Gleis 1, das zwischen der Empfangshalle und der großen, historischen Bahnhofshalle liegt, ebenfalls ersetzt.
Nach mehrjährigem Umbau wurde im Jahr 2000 in der Eingangsebene des Hauptbahnhofs Köln eine Einkaufspassage mit einer Verkaufsfläche von über 11.500 Quadratmetern und ca. 70 Geschäften und Gastronomiebetrieben, die "Colonaden", eröffnet.