Pierwszy budynek dworca powstał w 1868 roku. Jego budowa była związana z powstaniem linii Tarnowskie Góry – Częstochowie-Dziedzice.

Po I wojnie światowej nastąpił podział Śląska, w wyniku czego dworzec w Bytomi zyskał na znaczeniu jako stacja przygraniczna. W latach 1927-1930 wyburzono najstarsze budynki i w ich miejsce wzniesiono nowy dworzec wraz z charakterystyczną halą peronową projektu Wilhelma Grossarta. Trzy z czterech peronów obsługiwały ruch niemiecki, natomiast z peronu 1 kursowały pociągi do Polski. Stąd pochodzi jego zwyczajowa nazwa „peron polski”. Nowo wybudowany dworzec stanowi przykład architektury modernistycznej. W holu na jednej ze ścian znajduje się mozaika autorstwa Kazimierza Gąsiorowskiego.

Zabytkowa hala peronowa jest jednym z trzech przedwojennych obiektów tego typu w Polsce. Pozostałe znajdują się we Wrocławiu i Legnicy. Bytomska hala należy do najmłodszych. Perony zadaszono w ten sposób na stacjach w najważniejszych miastach, gdyż koszt ich budowy był znacznie większy niż typowych wiat. Hala była niemal w całości przeszklona, ze względu na przyjeżdżające tam parowozy jej utrzymanie w czystości było nie lada wyzwaniem. Twórcy hali z tego powodu zaprojektowali siedmiotonową suwnicę napędzaną ręcznie, co pozwalało na łatwe czyszczenie szyb przez obsługę dworca.

W latach 1936-1939 Bytom stanowi stację końcową dla najszybszego pociągu ówczesnych Niemiec – „Der Fliegende Schlesier” (Latający Ślązak). Pociąg pokonywał trasę Berlin – Bytom w zaledwie 4 godziny i 25 minut.

W roku 1935 wybudowano nastawnię bramową „Bt”. Jest to unikalny przykład modernistycznej budowli w postaci nadwieszonej (podpartej filarami) nad torami stalowej części – nastawicowni – z półkolistym zakończeniem oraz murowanej części z klatką schodową i parterowym budynkiem warsztatowo-technicznym. W 2022 roku cały jej układ został wpisany do rejestru zabytków.