Die Eröffnung der Bahnstrecke durch die Cöln-Mindener Eisenbahn- Gesellschaft (CME) zwischen Hamm und Minden fand am 15. Oktober 1847 statt. Der Bahnhof Bielefeld wurde weit außerhalb der Stadt gebaut. Das Stationsgebäude war provisorisch gebaut worden, auch diverse andere Bauten waren noch im Bau. 1849 wurde das provisorische Gebäude durch ein festes Empfangsgebäude ersetzt. Das alte Gebäude wurde als Poststation weiter genutzt. 1862 erweiterte die Bahngesellschaft den Bahnhof für den zunehmenden Güterverkehr. Am westlichen Bahnhofsteil errichtete die CME einen Lokschuppen für 37 Lokomotiven. 1870 wurden der Bahnhof und das Empfangsgebäude erneut erweitert. Nach der Verstaatlichung 1880 baute die Bahngesellschaft die Güterabfertigung auf die gegenüberliegende Seite des Empfangsgebäudes. Am 30. Oktober 1897 fuhr der erste Zug von Bielefeld nach Hameln. Diese Eisenbahnstrecke endet heute in Lemgo. In Paderborn kam der erste Zug aus Bielefeld am 1. Juli 1902 an. 1904 verlegte man den ganzen Güterbahnhof nach Bielefeld- Ostbahnhof. 1910 wurde das heute noch erhaltene Empfangsgebäude eröffnet. Im Zweiten Weltkrieg blieb das Stationsgebäude unversehrt. 1968 elektrifizierte die Deutsche Bundesbahn den Bahnhof. Anfang 2000 wurde der alte Güterbahnhof abgerissen. Die Deutsche Bahn AG erweiterte die Bahnsteiggleise von vier auf sieben Gleise und modernisierte den gesamten Bahnhof. Diese Modernisierungsarbeiten wurden 2006 abgeschlossen. Das Empfangsgebäude steht unter Denkmalschutz.