Budynek dworca został zbudowany w 1861 roku z muru pruskiego (w tym samym roku poprowadzono do Torunia sieć kolejową od strony Bydgoszczy). Początkowo dworzec nosił nazwę Toruń Przedmieście. W 1874 roku, w miejsce poprzedniego budynku dworca, zbudowano nowy, który stoi do dzisiaj. Podczas II wojny światowej budynki stacyjne uległy spaleniu. Ostatnia modernizacja dworca Toruń Główny miała miejsce w latach 60. XX wieku. Zmieniono wówczas układ budynku i wyremontowano wnętrze obiektu.

Na początku 2013 roku urząd miasta Torunia rozpisał przetarg na zaprojektowanie i remont dworca, a po rozstrzygnięciu procedur przetargowych w październiku 2013 roku podpisano umowę z głównym wykonawcą robót budowlanych. Prace modernizacyjne ruszyły na początku 2014 roku.
31 stycznia 2014 roku nastąpiło protokolarne przekazanie dworca Toruń Główny na rzecz Gminy Miasta Toruń.
Uroczyste otwarcie wyremontowanego i przebudowanego dworca nastąpiło 12 listopada 2015. Tego samego dnia odsłonięto tablicę upamiętniającą przybycie do Torunia w 1945 roku profesorów Uniwersytetu Stefana Batorego w Wilnie, którzy stanowili zrąb kadry naukowej nowo powstałego Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu.
21 marca 2017 roku w budynku po dawnej poczcie otwarto Kolejową Izbę Tradycji.
22 marca 2017 roku władze Torunia podpisały umowę dzierżawy ze spółką Urbitor na zarządzanie dworcem Toruń Główny przez 10 lat.