车站始建于1906年，当时的名称为“清泰门站”，是江墅铁路的其中一个车站，至1907年8月23日随铁路通车而启用。由于当时的车站距杭州城数百米，对城内居民甚感不便，因此从美国回来的学者马一浮便建议把车站迁移至城内，城内车站于1909年始建造，1910年完成。

1937年，中国抗日战争开始，车站于10月先后遭侵华日军两次轰炸，杭州亦于12月24日为日军占领。日据杭州期间，车站于1941年3月26日起重建，1942年3月21日启用，其外观采用日本奈良时代的建筑风格。

杭州站的客量于战后持续增长，车站已不能应付日后的客运需求，因此旧车站于1997年拆卸重建，新站于1999年落成，12月28日启用。