В 1871 году Саратов был соединён с соседними губерниями железной дорогой благодаря завершению строительства Тамбово-Саратовской железной дороги. Финансирование проекта обеспечивалось Саратовским земством и единомышленниками из Кирсановского уезда. В том же году был построен вокзал по типовому проекту железнодорожного ведомства.

Скоро железная дорога связала Саратов с Москвой и стала частью Рязано-Уральской железной дороги, управление которой разместилось в Саратове. Рост грузоперевозок и пассажиропотока привёл к тому, что мощностей вокзала стало недостаточно.

В 1898 году железнодорожное ведомство заказало проект реконструкции вокзала, который выполнил архитектор Пётр Митрофанович Зыбин. С 1895 года он работал старшим архитектором технического отдела Рязано-Уральской железной дороги в Саратове. Это был его первый крупный проект в городе. Позже он создал такие известные здания, как церковь-часовня при Архиерейском доме, здание городского общественного банка и клинику глазных болезней.

К осени 1900 года обновлённый вокзал был открыт для жителей. Были добавлены боковые пристройки: с северной стороны для зала I и II класса и парадных комнат, с южной стороны, зал III класса. Вокзальный ресторан стал одним из лучших в городе, предлагая фирменные блюда и живую музыку. На здании появились часы и башенки с флюгерами, которые запомнились старшему поколению саратовцев. Вокзал стал украшением города и часто изображался на открытках.

Работа на железной дороге считалась престижной, служащие носили фирменную форму. Для доступа на вокзал и перрон пассажиры предъявляли билеты, а провожающие покупали перронный билет. Объявления о поездах делал дежурный по перрону, звеня в колокол.

В советское время увеличились грузовые и пассажирские перевозки, появились пригородные поезда. Вокзал снова не справлялся с нагрузкой. Билетные кассы и службы вокзала были перемещены в другие здания. С 1973 по 1977 год вокзал был капитально реконструирован, хотя многие ошибочно считают, что его полностью снесли и построили заново.

Проект реконструкции выполнил институт «Ленгипротранс». В работах участвовали строительные предприятия Саратова. Часть вокзала была снесена, оставшаяся часть надстроена и расширена, увеличив объём помещений до 10,000 кв.м. Залы стали вмещать 3200 пассажиров, что в 2,5 раза больше прежнего.

Фасад был заменён на бетон и стекло, отражая модные тогда тенденции. Газета «Коммунист» писала, что бетон, стекло и алюминий придали зданию строгие формы и лёгкость. Вокзал расширился и поднялся вверх, шагнув на Привокзальную площадь.

Для транзитных пассажиров открыли десять комнат отдыха, комнаты матери и ребёнка, игровые залы. В расширенной части появились 20 билетных касс и залы ожидания. Вокзал предоставлял все необходимые услуги: телеграф, аптеку, медпункт, парикмахерскую и буфеты. В отделке использовались мрамор, гранит и цветной известняк. Внутри были установлены фонтаны.

Во время реконструкции модернизировали оборудование. Автоматика управляла справочно-информационными устройствами и вентиляцией. Платформы также были переоборудованы. Теперь к поездам можно было спуститься через тоннельный переход. Под платформами есть служебный тоннель для автомобилей.

С середины 2000-х годов разрабатывались проекты реконструкции вокзала. Он был включён в федеральную программу РЖД, но планы были пересмотрены, и вокзал подвергся лишь небольшой внутренней перепланировке. Заменили козырёк над входом.

Обсуждения о модернизации вокзала продолжаются. В 2016 году был представлен проект реконструкции Привокзальной площади с подземной парковкой и переходом, выполненный институтом «Саратовгражданпроект». В 2017 году ведомство подготовило свой проект реконструкции, который уже начал реализовываться.