Der erste Bahnhof an der Causeway Street wurde 1835 durch die Boston and Lowell Railroad eröffnet. Er befand sich westlich des heutigen Bahnhofskomplexes, gegenüber der Portland Street. Das ursprünglich kleine Empfangsgebäude wurde 1878 durch einen Neubau ersetzt. Als Nächstes nahm 1845 die Boston and Maine Railroad einen Bahnhof in Betrieb, der sich in den Anfangsjahren am Haymarket Square südlich der heutigen North Station befand, dann jedoch an die Causeway Street gegenüber der Canal Street verlegt wurde. Die Fitchburg Railroad eröffnete ihren Kopfbahnhof 1848 östlich der Beverly Street. Im April 1854 eröffnete schließlich die Eastern Railroad einen Kopfbahnhof zwischen der Station der Boston&Lowell und der damals noch bis zum Haymarket Square führenden Strecke der Boston&Maine.
Nach und nach übernahm die Boston&Maine ihre Konkurrenten, 1884 die Eastern Railroad und 1887 die Boston&Lowell. Die Bahngesellschaft besaß damit drei direkt nebeneinander liegende Kopfbahnhöfe. Um einen gemeinsamen Bahnhof für diese Strecken zu schaffen, baute sie den zunächst als North Union Station bezeichneten Bahnhof und eröffnete ihn 1893. Das erst 15 Jahre zuvor eröffnete Gebäude der Boston&Lowell blieb erhalten und lediglich die Bahnhöfe der Eastern und der Boston&Maine wurden durch einen Neubau ersetzt. Nachdem die Boston&Maine 1900 auch die Fitchburg Railroad übernommen hatte, wurde der bis dahin noch betriebene Endbahnhof dieser Bahn ebenfalls stillgelegt und die Züge in Richtung Fitchburg benutzten die North Station mit. Von hier verkehrten nicht nur Vorortzüge in den Norden von Massachusetts und nach New Hampshire, sondern auch Expresszüge nach Halifax, Montréal, Toronto und Chicago.
1928 wurde der gesamte Komplex abgerissen. An seiner Stelle entstand der Boston Madison Square Garden (später Boston Garden), eine Mehrzweckhalle, die am 17. November 1928 eröffnet wurde. Im Erdgeschoss des Gebäudes befand sich die Schalterhalle des weiterhin betriebenen Bahnhofs, der nun Boston North Station genannt wurde. Der vorerst letzte Expresszug verließ die North Station 1965 in Richtung Maine. Erst seit dem 15. Dezember 2001 verkehrt mit dem Downeaster nach Portland wieder ein Fernzug von hier, der am 1. November 2012 erstmals über Portland hinaus bis Brunswick fuhr.
Der Boston Garden wurde 1995 geschlossen, als direkt nebenan der TD Garden eröffnet wurde. Gleichzeitig wurden das Gleisvorfeld und die Bahnsteiganlage des Bahnhofs umfangreich umgebaut und verkleinert. Die Schalteranlagen befinden sich seitdem im TD Garden. Das Gebäude des Boston Garden wurde Ende 1997 abgerissen, an seiner Stelle befindet sich heute ein Parkplatz. Da die Abfertigungsanlagen des Bahnhofs nun aber viel zu klein waren und im Berufsverkehr nicht ausreichten, wurde der südliche Teil des Gleisfeldes 2007 überbaut und somit die Bahngleise verkürzt. Dadurch konnte der Wartebereich um einiges vergrößert werden.
Neben den Vorortzügen betreibt die MBTA auch eine Stadtbahn (Green Line) und eine U-Bahn in Boston. Beide Verkehrsmittel bedienen mit einer gemeinsamen unterirdischen Station die North Station. Die Orange Line der U-Bahn führt von Oak Grove in Malden nach Forest Hills im Süden der Stadt Boston. An der North Station halten die Stadtbahnzüge der Linie C (North Station–Cleveland Circle) und der Linie E (Lechmere–Heath Street). Am Bahnhof verkehrt außerdem die MBTA-Buslinie 4, die zum World Trade Center und zur Boston South Station fährt, sowie eine Buslinie der Charles River Transportation Management Association nach Cambridgeport.