Construcția gării a început în timpul domniei lui Carol I, iar locația actuală a gării a fost determinată de alegerea acestuia, construcția a început în 1868 și a durat patru ani pentru a fi construită în totalitate.
În ceea ce privește modernizarea, în perioada comunistă (1969) toate cele 14 linii au fost electrificate pentru transport cu locomotive electrice, abandonându-se în mare parte locomotivele diesel sau cu abur, ulterior în perioada în care linia de metrou a Bucureștiului a fost extinsă până la Gara de Nord, au fost construite căile de acces la metrou pentru M1 (1987) și M4 (2000) și doar în perioada 1997-1999 a avut loc ultima restaurare a clădirii mai ample, unde totodată este de asemenea clasificată ca monument istoric.
În prezent, CFR a lansat oficial, marți 31 Ianuarie 2023, prima fază a celui mai mare proiect de investiții feroviare din capitală, o licitație pentru achiziționarea de servicii de proiectare și execuție pentru modernizarea, consolidarea și reabilitarea gării București Nord, perioada de planificare și construcție este de 55 de luni (9 luni pentru planificare și 46 de luni pentru execuție).
