Бурное развитие Царицына во второй половине XIX века, прежде всего, было связано с железнодорожным строительством. В 1868 году начали прокладывать железнодорожную ветку Царицын – Грязи, созданием которой завершалась гигантская магистраль, связавшая Царицын с Ригой. Дорога была построена в 1870 году, а уже осенью 1871 года на царицынский вокзал прибыл первый поезд. В том же году было построено первое деревянное здание вокзала. В 1906 году на месте деревянного здания построили каменное.

В 1885 году царицынская газета писала: «В прежние времена цены на рыбные товары регулировались преимущественно астраханским рынком. С проложением же рельсового пути из Царицына до Грязей регулятором этим являются города Царицын, Москва, Тула, Орёл, Смоленск и все остальные рынки внутренних и западных губерний России внимательно прислушиваются к биению пульса Царицынского рынка» («Волжско-Донской листок», 1885 год, 9 января).

В годы Великой Отечественной войны, в августе 1942 года здание вокзала сильно пострадало от бомбёжки. Ныне существующее здание начали строить в начале 50-х годов, и в мае 1954 года новый вокзал принял пассажиров. Авторами проекта были А.В. Куровский и С.З. Брискин. Внутренние помещения вокзала украшены фресками. Росписи выполнили художники Я. Стрепков, В. Крыловым, Д. Мерпертом. Скульптурные группы и барельефы в комплексе вокзала выполнены скульпторами М.Д. и Н.А. Павловскими и В.Н. Безруковым.