Die Altona-Kieler Eisenbahn- Gesellschaft eröffnete die 108 km lange König Christian VIII. Ostseebahn am 18. September 1844. Zu diesem Zeitpunkt wurde auch der Kopfbahnhof in Altona fertiggestellt. Neben zwei hölzerne Bahnsteighallen verfügte die Bahnstation über einen Güter-, Eilgut-, Lokomotiv- und Wagenschuppen. Eigene Werkstätten und eine Drehscheibe ergänzten die Bahnhofsbauten. Im Empfangsgebäude befand sich anfangs auch die Direktion der Altona-Kieler Eisenbahn. Schon nach einigen Jahren wurde der Mittelteil des Empfangsgebäudes aufgestockt. Vom Bahnhof führte eine 28 m tiefer gelegene Verbindungsbahn zum Elbquai. Dort befand sich ein Speicherhaus, wo über eine dampfgetriebene Transmissionswelle die Krane betrieben wurden. Die Güterwaggons wurden von einer Dampfmaschine über einen Seilzug vom Kai zum Bahnhof transportiert. Am 19. Mai 1867 eröffnete die Eisenbahnstrecke von Altona nach Blankenese. Zwischen 1893 und 1898 wurde der Altonaer Hauptbahnhof als Kopfbahnhof in mehreren Bauabschnitten errichtet und am 30. Januar 1898 eröffnet. Das Gebäude bestand komplett aus Backstein und war im Stil der Neoromanik gehalten. Dieser Bahnhof wurde 1974 komplett abgerissen und 1979 durch einen Betonbau ersetzt. Das Bahnbetriebswerk schloss 1991, wobei einige Bauten (unter anderem Wasserturm) unter Denkmalschutz gestellt wurden. Der Güterbahnhof wurde 1996 geschlossen. 2006 erfolgte eine umfangreiche Sanierung des Gebäudes. Es folgte eine weitere Sanierung ab dem Jahr 2014. Die Neueröffnung fand am 8. September 2016 statt.