Здание железнодорожного вокзала Бологое строили одновременно с линией Санкт-Петербург – Москва по типовому проекту станции 1 класса. Главным автором проекта был архитектор Рудольф Желязевич. Вокзал возводили в русско-византийском стиле с элементами флорентийской архитектуры.
Кирпичное здание окружили галереей на чугунных колоннах. Здание состояло из залов ожидания для пассажиров 1-3-го классов, багажного, кассового и телеграфного отделений, буфета, кухни, общего зала и дамских комнат. В западной закруглённой части располагалось императорское отделение из 5 комнат.
В 1887 году у железнодорожного вокзала появился второй этаж, где размещались служебные помещения. В 1893 году удлинили первый этаж и расширили зал для пассажиров 3 класса. Реконструкция вокзала велась без перерывов в движении поездов.
За подвиг железнодорожников станция Бологое 4 мая 1985 года была награждена орденом Отечественной войны I степени. Всего за годы войны вражеская авиация совершила на Бологое 527 налетов. Железнодорожный вокзал был сильно повреждён, его восстановление началось уже в 1944 году.
Последняя реконструкция железнодорожного вокзала проходила в 2012-2013 годах. Во время работ не только расширили площадь, но и сохранили исторический облик здания.
Сегодня ежесуточно со станции Бологое отправляется 60 пар поездов дальнего следования, в том числе скоростные и высокоскоростные поезда, и 8 пар пригородных поездов. Пассажирские поезда со станции Бологое следуют по пяти направлениям: на Москву, Санкт-Петербург, Старую Руссу, Великие Луки и Сонково. По субботам и воскресеньям курсирует первый в России пригородный поезд на паровозной тяге по маршруту Бологое – Осташков – Бологое.