Der Leipziger "Hauptbahnhof" wurde in den Jahren 1909 bis 1915 nach Entwürfen von den Architekten William Lossow und Max Hans Kühne errichtet. Dieser Entwurf erreichte gemeinsam mit einem Entwurf des Architekten Jürgen Kröger den ersten Platz, ersterer konnte sich dann durchsetzen. Die Pläne für die große Bahnhofshalle stammen von den Ingenieuren Eilers und Karig.
Die Eröffnung fand am 04. Dezember 1915 statt. Im Vorfeld gab es bereits 1839 den Dresdner Bahnhof (im Bereich der heutigen Osthalle), 1840 der Magdeburger Bahnhof (im Bereich der heutigen Osthalle, links vom Dresdner Bahnhof) und 1857 den Thüringer Bahnhof (an der Parthe, westlich von der heutigen Bahnhofshalle). Daneben gab es ab 1842 den Bayerischen Bahnhof, 1859 den Berliner Bahnhof (südlich vom Straßenbahnhof Wittenberger Straße) und 1874 den Eilenburger Bahnhof (heute Lene-Voigt-Park). Zu dieser Zeit war Leipzig mit seinen fünf Bahnhöfen (ohne Berliner Bahnhof) ein wichtiger Eisenbahnknoten im Deutschen Reich. Nachdem die einzelnen Eisenbahngesellschaften fusionierten oder aufgekauft wurden und zur Königlichen-Sächsische Staatseisenbahn oder zur Preußischen Staatseisenbahn gehörten, entschied man sich, einen gemeinsamen Hauptbahnhof zubauen. Die Planungen dazu wurden in den 1880er Jahren aufgenommen und sich die Frage gestellt, ob es ein Durchgangsbahnhof oder ein Kopfbahnhof sein sollte. Alle bisherigen fünf Bahnhöfe waren Kopfbahnhöfe.
Die Königlich-Sächsische Staatseisenbahn wollte einen Durchgangsbahnhof haben, der aber außerhalb der Innenstadt und in Schönefeld liegen sollte. Die Preußische Staatseisenbahn wollte einen Kopfbahnhof, da sie mit ihrem Durchgangsbahnhof in Halle nicht in Konkurrenz stehen wollten. Der Rat der Stadt Leipzig entschied sich für den Kopfbahnhof, weil man damit näher an das Stadtzentrum bauen konnte. 1898 ist dann endgültig die Entscheidung für einen Kopfbahnhof mit Personen- und Güterverkehr gefallen und zwar auf dem Areal des Thüringer, Magdeburgers und Dresdner Bahnhofs. Beide Eisenbahn-gesellschaften teilten sich den Hauptbahnhof, weshalb alles doppelt vor kam. Empfangsgebäude wie Bahnhofshalle. Angelegt wurden 26 Gleise. Begonnen wurde mit der Preußenseite (Westseite) und der Thüringer Bahnhof wurde als erster bis 1907 abgerissen. Die Grundsteinlegung fand am 16. November 1909 statt. Die Fertigstellung war für 1914 vorgesehen, verzögerte sich aber 1911, da die Bauarbeiter für höhere Löhne streikten. Im Zweiten Weltkrieg wurde der Hauptbahnhof durch Bomben stark in Mitleidenschaft gezogen. So kam er im April 1945 komplett zum Erliegen, der Ende Mai aber schon wieder aufgenommen werden konnte. Zerstört waren die Westhalle, die Decke der Querbahnsteighalle und das Dach der Bahnhofshalle. Der erheblichste Angriff war am 07. Juli 1944, als einer der stützenden Abschlussbögen brach und in den folgenden 20 Minuten weitere nacheinander zwischen der Bahnhofshalle und der Querbahnsteighalle einstürzten
wie eine Kettenreaktion. Es dauerte bis ins Jahr 1965, bis der Hauptbahnhof wieder komplett aufgebaut wurde. In der DDR beschloss die Deutsche Reichsbahn, alle stark zerstörten Bahnhofshallen nicht wieder aufzubauen. Da aber der Leipziger Hauptbahnhof besonders für Messegäste aus der Bundesrepublik Deutschland ein Repräsentation besaß, wurde hier eine Ausnahme gemacht. Gelobt wurde die Deutsche Reichsbahn der DDR dafür im In- und Ausland für den Wiederaufbau. In den Jahren 1950 bis 1992 band sich in den Zugangsräumen zu den Bahnsteigen im Verkehrstunnel das DEFA-Zeitkino. Mitte der 1990er Jahre wurde der Hauptbahn-hof umfassend saniert. So wurden am 12. November 1997 die "Promenaden Hauptbahnhof Leipzig" eröffnet Ein Shopping-center auf drei Ebenen mit 11.000 m² Verkaufsfläche und 142 Geschäften. Auf den ehemaligen Gleisen 25-26 entstand ein Parkhaus mit 600 Stellplätzen. Geplant war jedoch ein mehrstöckiges Parkhaus, das auf großen Widerstand in der Bevölkerung stieß. Das Gleis 24 wurde zum Museumsgleis umgenutzt und historische Schienenfahrzeuge ausgestellt. Mit der Eröffnung des City-Tunnels am 14. Dezember 2013 und der Inbetriebnahme der S-Bahn Mitteldeutschland einen Tag später besitzt der Hauptbahnhof nun auch einen unterirdischen Bahnhof. Dieser befindet sich unter den ehemaligen Gleisen 1-5 und führt mit einem Inselbahnsteig die Gleise 1-2. Von hier aus gelangt man mit der S-Bahn in viele Regionen, aber auch zum Markt und Bayerischen Bahnhof. Im September 2013 begannen die Bauarbeiten für eine umfangreiche Neugestaltung der Gleisanlagen vor der Bahnhofshalle, die im Jahr 2017 abgeschlossen sein sollen. Sie gehören zum Verkehrsprojekt "Deutsche Einheit Nr. 8" und befassen sich mit der ICE-Neubau- und Ausbaustrecke MünchenErfurtHalle/LeipzigBerlin. Der Abschnitt Erfurt–Halle/
Leipzig wurde am 09. Dezember 2015 unter Beisein der Bundeskanzlerin, Angela Merkel, im Erfurter, Hallenser und Leipziger Hauptbahnhof eröffnet. Heute werden im Leipziger Hauptbahnhof noch 20 Gleise angefahren.

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Auf der Westseite der Querbahnsteigs befinden sich zwei Büsten der Leipziger Eisenahn-Pioniere: Friedrich List und Gustav Harkort, die an der Leipzig-Dresdner-Ferneisenbahn maßgeblich beteiligt waren. Sie wurden 1927 vom Leipziger Bildhauer Adolf Lehnert entworfen für ein List-Harkort-Denkmal. Dieses befand sich bis zum Zweiten Weltkrieg im nördlichen Teil des Schwanenteichparks. Nach einer langen Lagerung im Museum der bildenden Künste wurden sie vom Leipziger Bildhauer Markus Gläser restauriert und am 17. Juni 1999 auf dem Querbahnsteig enthüllt. An der Goethestraße erinnert ein Obelisk an die erste deutsche Ferneisenbahn Leipzig–Dresden. Am 27. Januar 2012 wurde vor dem Museumsgleis 24 und einer Kriegslok von 1943 ein Mahnmal für alle deportierten Juden zwischen 1942 und 1945 von Leipzig ins KZ Theresienstadt eingeweiht.

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Auf dem "Museumsgleis 24" sind ausgestellt: Die Dampflok 52 5448-7 des Eisenbahnmuseums Leipzig; der Fliegende Hamburger, Bauart Hamburg, SVT 137 225; und die drei E-Loks E 04 01, E 44 046 und E 94 056 alias Krokodile, allesamt des DB Museums Nürnberg. Keines der Fahrzeuge ist betriebsbereit.

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Der "Hauptbahnhof" befindet sich am Willy-Brandt-Platz zwischen Kurt-Schumacher-Straße/Preußenseite und Brandenburger Straße/Sachsenseite. Davor liegt die zentrale Haltestelle für den Bus- und Straßenbahnverkehr. Zugang zur Nikolaistraße.