De oorsprong van het station ligt in een samengevoegd station van de Köln-Mindener Eisenbahn en de Bergisch-Märkische Eisenbahn, dat in 1847 werd gebouwd ten noorden van het stadscentrum. Dit station werd in 1910 vervangen door een nieuw station op de huidige plaats. Door middel van verhogingen werden de vervoerstromen beter afgehandeld. Op het moment van opening was het een van de grootste stations van Duitsland. Het station werd echter vernietigd tijdens een geallieerde luchtaanval op 6 oktober 1944. De stationshal werd herbouwd in 1952. De glazen ruiten laten de toen belangrijkste beroepen van Dortmund zien.
Dortmund Hauptbahnhof is het op twee na grootste langeafstandknooppunt van Duitsland en een van de belangrijkste stations van Europa. Elke dag passeren 982 treinen, wat Dortmund het drukste treinstation van het Ruhrgebied maakt.