Первая железнодорожная линия была построена в Царицыне в 1862 году. Она соединяла Волгу и Дон, начинаясь станцией «Волжская» на набережной, далее шла по Ельшанскому оврагу до станции «Садовая» (позже – «Крутая», ныне – «Максима Горького»), и далее до станции «Донская» в районе нынешнего Калача-на-Дону. Открытие линии состоялось 5 мая 1862 года. В то же время на берегу Волги был построен первый деревянный вокзал.
С вводом в эксплуатацию железнодорожной линии Царицын-Поворино-Грязи, построенной акционерным обществом Юго-Восточной железной дороги в 1868-1870 годах, в Царицыне появился первое кирпичное здание вокзала на месте современного железнодорожного вокзала «Волгоград-I». Построено оно было в 1871 году.
Сразу после окончания боев сразу началось восстановление железнодорожного хозяйства, так что к июлю 1943 года Сталинградский железнодорожный узел заработал на полную довоенную мощность. Для вокзала отстроили одноэтажную времянку, которая прослужила 9 лет. А в 1950 году началось строительство нового вокзального здания, которое служит до сих пор.
Здание решено в монументальных формах сталинской архитектуры послевоенных лет с сохранением элементов довоенного здания. Проектировалось оно Волгоградским филиалом Дорпроекта Приволжской железной дороги в 1950-1953 годах. Авторы проекта архитекторы А. В. Куровский и С. 3. Брискин, инженер-конструктор А. Ф. Кадильникова. Строительство осуществлялось Главжелдорстроем МПС с июля 1951 по май 1954 года.
Новое здание вокзала – трёхэтажное с цокольным этажом, венчается часовой башней со шпилем, увенчанным золотистой звездой. Общая высота здания вместе со шпилем – 67 метров. В башне вокзала в 1959 году установлены часы, созданные на заводе «Баррикады». Диаметр часов составляет 4 метра, стрелки часов длиной в 2,5 метра.
Фасады облицованы гранитом и инкерманским камнем, частично оштукатурены; стены в интерьере преимущественно облицованы мрамором.
Внутри здание вокзала разбито на 2 больших зала – зал ожидания и кассовый зал. Потолки в них отделаны лепными карнизами, кессонами, розетками; на потолках – художественная роспись. Тема полотна правого зала – боевой подвиг защитников города в годы гражданской и Великой Отечественной войн. Тематика левого – трудовой подвиг Сталинградцев в годы послевоенного строительства – на постройке Волго-Донского канала и Волжской ГЭС. Авторы – художники Я. Скрепков, В. Крылов, Д. Мерперт. По словам О. Н. Кириченко – директора народного музея волгоградских железнодорожников – на одной из живописных фресок, описывающих события гражданской войны, в массовке изображены реальные люди – главный архитектор вокзала и тогдашний начальник пассажирских перевозок. А знамя боевое Красное знамя Царицыну изначально передавал лично Сталин – после 1961 года изображение "подправили", переделав Иосифа Виссарионовича в колхозника, одетого в шинель.
К главному входу в вокзал со стороны города ведет широкая гранитная лестница. По обе стороны от неё на отполированном сером граните – два многофигурных барельефа высотой в пять метров каждый. Слева от входа – сражения гражданской войны за красный Царицын; справа – защитники Сталинграда в решительном наступательном порыве. У их ног – поверженное фашистское знамя. Выше, над центральным входом, размещены барельефы ордена Красного Знамени и медали «За оборону Сталинграда». Над ними – символическая скульптурная композиция: Родина-мать венчает лавровым венком победителей. Скульптурные группы и барельефы выполнены скульпторами М. Д. и Н. А. Павловскими, В. Н. Безруковым.
В 1997 году здание волгоградского железнодорожного вокзала признано памятником архитектуры. А в 2005 году к 60-летию Победы здание вокзала было капитально отремонтировано. После капитальной "чистки" вокзал снова стал белоснежным. Есть надежда, что таким он останется довольно долго, так как на приволжской железной дороге все больше используются локомотивы на электрической тяге. Также в ходе ремонта была смонтирована оригинальная подсветка здания, выполненная в трёх световых температурах: подсветка внешних архитектурных элементов – "холодным" белым светом, внутренних элементов – "тёплым" жёлтым. Внутри залы железнодорожного вокзала освещаются люминесцентными светильниками, имеющими снаружи ярко выраженный зеленый оттенок.
