該火車站是中國第壹條長距離準軌鐵路的大型車站，其主體建築候車大廳年代較早，為中國近代鐵路建設尚存的重要歷史見證。 原為盧漢鐵路(後稱京漢鐵路)南端終點站的主體建築，由比利時貸款，法國工程師設計。
大智門火車站1896年破土動工，1903年建成。1906年4月1日盧漢鐵路全線建成在大智門火車站舉行了通車典禮。
1911年10月10日晚，辛亥革命爆發，清政府官員從大智門火車站爬上現代化的火車逃往北方。
1937年9月17日下午，第9軍軍長郝夢齡從大智門北上抗日，血戰成仁，終得馬革裹屍還。
清光緒二十八年（1902年），壹直醉心洋務運動且敢於大膽實踐的張之洞，邀約直隸總督王文韶，聯名向朝廷呈遞了壹份設立朝廷“鐵路總公司”的折子，內容就包括在漢口大智門附近建壹座火車站的方案。張之洞所奏，上頭照準。於是，張之洞公開招標，最終，壹廣幫建築商勝出中標。經過幾年精心施工，漢口最早的火車站，就鶴立矗立在大智門了，這就是大智門火車站。漢口大智門火車站是京漢鐵路的南端終點站，20世紀初，這個當時亞洲最雄偉、最現代化的火車站，被視為京漢鐵路全線最耀眼的亮點。車站建成，火車開通，漢口的面貌也跟著改觀
抗日戰爭時期，大智門火車站風雲際會。1937年9月17日下午，第9軍軍長郝夢齡正是從這裏北上抗日，血戰成仁，終得馬革裹屍還；1938年春，八路軍副總指揮、橫刀立馬的彭德懷在這裏蒞臨武漢；臺兒莊戰役中，41軍122師師長王銘章以身殉國，靈柩經大智門車站運抵武漢，這壹段段往事為老站書寫了壹頁頁濃墨重彩的歷史篇章。
滄海桑田，昔日的火車站臺及橫跨漢口鬧市的京漢鐵路，已變成寬敞的京漢大道，架空而過的城市輕軌交通列車，飛馳在曾經輝煌百年的京漢鐵路舊址的上空。
1938年春，八路軍副總指揮彭德懷在大智門火車站蒞臨武漢。1991年10月1日，新的漢口火車站建成後，大智門火車站停止使用。
2001年06月25日，大智門火車站作為近現代重要史跡及代表性建築，被國務院批準列入第五批全國重點文物保護單位名單。
2006年5月底漢口大智門火車站正進行檢修，準備改建成武漢市第壹個鐵路陳列館。