Den nuværende hovedbanegård betragtes almindeligvis som Københavns tredje banegård. Den første station blev åbnet 26. juni 1847, da banen til Roskilde blev taget i brug. Den lå på samme område som den nuværende, men sporene var vinkelrette på deres retning i dag, idet banelinjen gik ad nuværende Halmtorvet og Sønder Boulevard. Stationen var efter sagens natur meget mindre; der var blot en enkel stationsbygning. Området lå dengang uden for Københavns volde og det skulle - i princippet - holdes som åbent terræn af militære årsager. Af samme grund måtte banegården bygges i træ, da grundmurede bygninger ikke var tilladt. I 1860'erne kom der flere planer for at få udbygget jernbanenettet og specielt at få sammenknyttet en nordgående linje med den vestgående. Det endte med at man besluttede sig for at opføre Københavns anden banegård som blev åbnet i 1864.

Denne banegård lå omtrent hvor Palads-biograferne og Axelborg i dag ligger, men den var en del af et større anlæg, idet der var en godsbanegård samt efterhånden flere supplerende mindre stationsbygninger på samme område. Sammen med sporarealer, remiser, drejeskive og hvad der ellers hører til fyldte stationsområdet stort set hele det område som i dag ligger mellem Axeltorv, Gyldenløvesgade og Vester Søgade.

På sigt blev denne banegård for trang, specielt fordi den eneste sporforbindelse til stationen var ført over Skt. Jørgens Sø via Gyldenløvesgade-dæmningen; på den anden side af søen delte sporet sig mod vest og nord (sporene er forlængst borte men kan stadig anes i gadenettet og har f.eks. givet Nørrebroparken dens retning og form). Det gjorde ikke sagen bedre, at banerne på vej ud af byen krydsede adskillige gader i niveau, hvilket med den støt stigende togtrafik medførte hyppige blokeringer for den ligeledes støt stigende vejtrafik, når bommene var nede.

Man besluttede nu at anlægge den nedgravede Boulevardbane mellem Hovedbanegården og Østerport) sammen med en ny hovedbanegård. Boulevardbanen åbnede i 1917.

Den nuværende banegård, den tredje blev indviet 30. november 1911. Den er tegnet af Statsbanernes overarkitekt Heinrich Wenck, der bl.a. også har tegnet Østerport Station. Stilmæssigt har den en del til fælles med f.eks. Københavns Rådhus som er opført i samme periode. De fremtrædende materialer er mursten, skiffer og granit, og der er tilføjet et væld af dekorationsdetaljer. Wenck havde i årene 1892-1902 udarbejdet flere forslag til en ny banegårdsbygning, der dog blev forkastet af rigsdagen for at være unødigt overdådige. Banegårdens indre er da af sparehensyn heller ikke så rigt dekoreret som Wencks tidligere arbejder. Ikke desto mindre hører banegården til blandt Europas smukkeste.

Stationen er opført med 6 perroner for publikum og 5 (lave) bagageperroner. På ydersiden af spor 1 (nærmest Tivoli) findes en perron, der bl.a. giver adgang til de kongelige ventesale, og på ydersiden af spor 12 findes en høj bagageperron. De 12 perronspor er gennemgående fra det store baneterræn i syd og videre ud i Boulevardbanestrækningen. Der er senere tilføjet yderligere perronanlæg på den anden side af Tietgensbroen. Trapperne fra perronerne til Tietgensbroen er opført i hhv. 1971 (fjerntogsperronerne) og (S-togs-perronerne). Førhen skete billetkontrol ved adgangen til perronen, hvorfor det var uhensigtsmæssigt med flere adgangsveje.

Sporene 9-12, der i dag benyttes af S-tog, var også oprindeligt forbeholdt nærtrafik. De blev først taget i brug 1. oktober 1921 sammen med åbningen af de sidste to af Boulevardbanens fire spor. Frem til 1934 blev perronen på ydersiden af spor 12 brugt for ankommende tog, der skulle tømmes for passagerer.

Oprindeligt var den nuværende banegårdshal opdelt i hhv. en afgangshal nærmest Banegårdspladsen og en ankomsthal nærmest perronerne. Disse haller var adskilt af en “ø”, hvorfra der bl.a. skete ekspedition af rejsegods – frem til 1940'erne var det almindeligt at medbringe store mængder bagage. Adgang til perronerne fra afgangshallen skete via trapper nærmest bagageøen, der førte ned til underjordiske ventesale, hvorfra der var udgang til perronen. Der var ikke gennemgang mellem ankomst- og afgangshallerne for publikum før 1934, hvor der blev skabte to brede passager. Langs afgangshallens indervægge fandtes et antal ventesale – behørigt opdelt i hhv. 1., 2. og 3. klasse – og kiosker. I 1950'erne blev der installeret et stort antal automater, hvor man kunne købe alverdens ting. Den stigende turisme i denne periode gav tillige anledning til opsætning af en del neonreklamer.

I 1935 indrettedes nærtrafikkens ventesal, der var blevet overflødiggjort efter introduktionen af 20-minuttersdrift med S-banen, som biograf under navnet „Den vide Verden“. Biografen blev et sandt tilløbsstykke og eksisterede frem til 1971, hvor fjernsynets fremkomst havde gjort biografen urentabel.

I årene 1978-1994 gennemgik Hovedbanegården en større ombygning. Her blev hallerne slået sammen ved fjernelse af rejsegodsøen, og perronnedgangene fra den tidligere afgangshal og de tilhørende ventesale blev sløjfet. Der blev etableret rulletrapper og elevatorer ned til alle perroner. De første rulletrapper var dog allerede i 1954 blevet installeret ved nedgangen til S-togs-perronerne.

Stationsbygningerne blev fredet i 1983.

I 2004 påbegyndtes en større renovering, der bl.a. omfattede sænkning af perronerne ved spor 3–6 til international standard samt en forlængelse af disse ind under banegårdshallen.

I 1967 etableredes landets største relægruppeanlæg DSB type 1964 med DSI-sportavle. I 1986 blev sportavlen erstattet af en Siemens mosaiksportavle med 15 mm mosaikmodul og i 2011 (16.-23. oktober) blev denne udskiftet med Mauell mosaiksportavle med mosaikmodul 24 mm.

• Københavns første og anden banegård] *[[http://www.toptop.dk/default.asp?ArticleOne=Diverse/dkjernhist.htm|Dansk Jernbane historie] *[[http://www.hovedbanen.dk|Hovedbanen.dk
• Morten Flindt Larsen. Vi mødes under uret. 1994.