15 січня 1863 було прийнято рішення про будівництво і затверджений статут Одесько-Балтської залізниці, яка з'єднувала портове місто на Чорному морі Одесу з центральними районами Украіни.Одновременно з початком будівництва дорожніх споруд в районі Кінної площі (нинішня станція Одеса - Товарна) було розпочато будівництво вокзалу, локомотивного сараю (депо) і майстерень.
Оскільки до початку 90-х років старий вокзал уже не відповідав потребам міста і знаходився в незручному для пасажирів місці, з високою роздільною здатністю імператора Олександра 11 було прийнято рішення про будівництво нового вокзального комплексу. Одеський вокзал був розташований на старому кордону Порто-Франко і закінчував перспективу Італійської (нині Пушкінській) вулиці. Старий одеський вокзал був побудований за проектом Петербурзького архітектора В.А.Шретера, будівництво велося під керівництвом архітектора А.І. Бернардацці.
Одеський вокзал мав два виходи - на Привокзальну і Сінну площі (бічний), головний вхід прикривала трёхарочная лоджія з годинником, перони мали навіси для захисту пасажирів від дощу і сонця, перед вокзалом знаходився невеликий парк з фонтаном. Відкрито вокзал в Одесі був в 1883 році. Під час Великої Вітчизняної війни в Одесі будівлю вокзалу було зруйновано (підірваний в 1944 році). Було прийнято рішення про будівництво нового вокзалу в Одесі на місці зруйнованого. Будівництво вокзалу було оголошено всенародним і взято під особливий контроль.
новий жд вокзал в Одесі був побудований в рекордно короткі терміни - з листопада 1950 по липень 1952 по проекту архітектора Чуприна. У будівництві вокзалу брав участь все місто. Професорсько-викладацьким складом Одеського будівельного інституту розроблені методи швидкісного будівництва, в будівництві брали участь бригади тресту "Стальмонтамж", заводів Січневого повстання, "Кінап", тисячі одеситів проводили тут недільники, приходили у позаробочий час для виконання різних підсобних робіт. З усіх боків йшли вагони з кавказьким димчастим, сірим середньоазіатським мармуром, різними іншими будматеріалами. У будівництві вокзалу брали участь фахівці з опоряджувальних робіт Закавказзя, Уралу, Карелії.
12 липня 1952 одеський вокзал був введений в експлуатацію. За всі роки з початку роботи станції в Одесі не припиняються роботи з оновлення, розширення вокзального комплексу. Обладнана електрична централізація стрілок і сигналів і повністю переведено господарство на електричну тягу в 1963-1973 роках, проведена централізація стрілок в технічному парку в 1983 році, все квиткові каси одеського вокзалу обладнані термінальними пристроями автоматизованої паспортної системи управління продажу квитків АСУ "Експрес". Впроваджено автоматизовану систему розподілу місць в поїздах, працюють інформаційно-довідкова система "Визинформ" і автоматичні довідкові установки.
На одеському вокзалі є все, що необхідно для пасажира: пошта, перукарня, аптечні кіоски, наявність розгалуженої мережі торгівлі продовольчими та промисловими товарами, періодичними виданнями, медпункт, кафе і т.д. За свою працю колектив одеського вокзалу в 2006 році відзначений першим місцем в змаганні трудових колективів вокзалів Одеської дороги і доріг України з врученням диплома 1-го ступеня, перехідного Червоного Прапора, грошової премії.