1838 plante und vermaß William Lindley die Bahnstrecke von Hamburg nach Bergedorf. Am 7. Mai 1842 eröffnete die Hamburg-Bergedorfer Eisenbahn ihren Bahnhof in Hamburg. Es folgte am 15. Dezember 1846 die von der Berlin-Hamburger Eisenbahn-Gesellschaft gebaute Bahnstrecke von Berlin nach Hamburg. Beide Gesellschaften fusionierten 1846. In Hamburg entstand der Berliner Bahnhof. Das Stationsgebäude bestand aus dem Empfangsgebäude aus einer offenen, hölzernen Bahnhofshalle mit vier Gleisen. 1865 wurde 600 Meter östlich des Bahnhofs lag der Lübecker Bahnhof. 1866 baute die "Hamburg-Altonaer Verbindungsbahn" ca. 200 Meter nördlich ihren Bahnhof "Klosterthor".Die Cöln-Mindener Eisenbahn-Gesellschaft baute die Hamburg-Venloer Bahnstrecke, die am 1. Dezember 1872 Hamburg-Harburg erreichte und dort den Venloer Bahnhof baute. 1892 wurde er in Hannoverscher Bahnhof umbenannt, da die Stadt Harburg damals zum Königreich Hannover gehörte.Nach Übernahme aller Privatbahnen durch die preußische Staatsbahn wurden die unterschiedlichen Bahnhöfe durch einen Hauptbahnhof ersetzt. Am 4. Dezember 1906 weihte mit einem Festakt die preußische Staatsbahn den Hauptbahnhof nach zweijähriger Bauzeit ein. Das gesamte Bahnhofsgebäude steht auf einem Stahlgestell über den Bahngleisen. Der Einbau von Aufzügen wurde bereits in der Planungsphase um 1900 beschlossen. Schon 1913 kam der Bahnhof an seine Leistungsgrenze.Im Zweiten Weltkrieg wurde der Bahnhof stark beschädigt.Bereits 1948 wurde die Instandsetzung des Bahnhofs abgeschlossen. 1963/1964 baute die Bundesbahn den Südbahnsteig, der über Rolltreppen zu erreichen ist. 1965 elektrifizierte man die Gleisanlagen im Hauptbahnhof. 1977 wurde ein Zentralstellwerk fertiggestellt. Von 1974 bis 1979 begannen umfangreiche Baumaßnahmen, so wurde die Bahnhofhalle restauriert. Der Bahnsteig für die S-Bahn musste außerhalb der Bahnhofhalle errichtet werden. Zusätzlich wurde von dem Eingang Südsteg ein siebengeschossiges Gebäude errichtet. Der Ausbau der S-Bahn begann 1975 und wurde 1983 abgeschlossen.