在19世纪中叶的工业化进程中，亟需一种全新的、更高效的运输手段来实现对乘客及货物的快速运输。在年久失修的道路上运行的马车再也无法提供必要的动力。作为一项解决方案，以英格兰为蓝本兴建铁路被纳入议事日程。然而，当时的巴伐利亚国王路德维希一世却侧重于对水路进行扩充，于是铁路的建设则留给了私人公司及协会。
当纽伦堡至菲尔特之间一条约6公里长的铁路于1835年11月25日开通之后，对此深感兴趣的民众又分别在慕尼黑和奥格斯堡成立了各自的铁路委员会。这两个铁路委员会很快便联合起来，以允许在奥格斯堡至慕尼黑之间建设一条铁路线。两大城市之间应该建立比平常的驿站马车更快的连接，其中需要克服经停17座驿站（约63公里）的距离。根据铁路机车的运行速度，行车时间预期可以缩短三分之一。铁路委员会委托政府来规划路线的大致走向，并进一步希望国家负责铁路的建设工作。巴伐利亚方面对此表示拒绝，但同时也表明国家将对铁路建设提供财政支持。
作为一家私人公司，约瑟夫·安东·冯·玛菲在1837年7月23日成立了慕尼黑-奥格斯堡铁路公司。在得到其他股东的进一步支持后，铁路建设始于1838年春季。 关于在慕尼黑设置火车站的首个计划始于1838年。慕尼黑－奥格斯堡铁路的项目负责人，乌尔里希·希姆瑟尔及其副手约瑟夫·佩特希（Joseph Pertsch）拟定了一个带有接待大厅和货运仓库的车站设施方案。接待大厅背后是一个包含了4座径向布局大厅的半圆形建筑。这是根据英式风格为蓝本进行设计的。约瑟夫·佩特希将选址定于如今的太阳大街（Sonnenstraße）。而乌尔里希·希姆瑟尔却倾向将车站建于麻雀大街（Spatzenstraße），它与如今车站所处的位置相同。
然而，慕尼黑-奥格斯堡铁路公司却无法负担在两个选址的征地和建设费用。于是在慕尼黑－奥格斯堡铁路的慕尼黑至洛赫豪森区间于1839年9月1日投入营运时，只能使用由木材搭建的临时性建筑。其站址位于战神广场，即如今的哈克桥附近。它由一个简易的木制站房和两个售票厅组成。在接待大厅则设有两个候车区和若干服务处所。这座建筑还包含了一个带两条轨道和每条一个机车转盘的车站大堂，其占地为75.4×15.37米宽。用于机车维护的机械车间也设于车站范围内。一年后，在1840年10月4日，通往奥格斯堡的整条铁路贯通。这条路线每天发送乘客约400人次。
在1841年，该车站收到了关于选址方位的第一宗投诉。由于车站远离市中心，因此前往车站的费用也极为昂贵。同时小规模的木质建筑也被认为与慕尼黑的城市地位不相称，无法给人带来深刻的印象。于是国王路德维希一世于1843年开始委托建筑师弗里德里希·冯·盖特纳对车站进行重新设计。它应该尽可能向市中心靠拢，因为地处城市郊区的旧车站离市区仍有一个半小时路程。至于慕尼黑-奥格斯堡铁路公司在1844年被收归国有，可以被视为落实新车站建设的第一步措施。共有三种新的选址方案被呈交审议。第一项方案位于慕尼黑皇家射击总会的靶场范围，第二项位于战神广场高地，第三项则位于太阳大街。在随后的几年中，国家及城市当局均对三项方案犹豫不决。1847年4月4日，车站站房发生了一次重大火灾。起火原因无法确定，也无造成人员伤亡。但部分的货运及经营设施已被烧毁。因此新车站的建设决策必须立即落实。1847年4月5日，巴伐利亚国王决定将新车站建于射击总会靶场附近。位于战神广场的车站则不得不暂时修葺恢复使用，直至新车站于1847年秋季完工。由于施工延误，轨道被延伸至了射击总会的靶场内。靶场的建筑此时开始作为接待大厅使用，直至新站房于1847年11月15日落成。 慕尼黑中央车站，约1854年门厅视角，约1859年
新车站建设的项目建筑师弗里德里希·布尔克莱因负责，他是弗里德里希·冯·盖特纳的学生。新的车站大堂可于1848年投入营运。该建筑有119米长、29米宽和20米高，并设有用于5条轨道接入的空间。一年后，于1849年10月1日，接待大厅也建成使用。车站此时每天发送旅客约1,500人次。车站圆拱式的建筑采用罗曼式和意大利文艺复兴式的风格，由黄色和红色的砖墙组成，个别构造还使用了砂岩和石灰岩。接待大厅则是一个教堂式的建筑，并在东侧加入了一个园亭。它配备了当时最为先进的技术，包括一个中央热水供暖设施和一个中控的塔钟，其中塔钟的表盘高达130米。车站自1851年起还开始采用气体照明。
然而，新建筑在通往兰茨胡特的铁路于1858年建成后再次显得过于狭小。因此巴伐利亚东部铁路股份公司也在中央车站以北拥有了自己的车站设施。这座新的、也被称为东站（Ostbahnhof）的停车点有145米长和24米宽，并拥有包含4条轨道的月台大厅。此外，还有一个3条轨道的车库、一个货物仓库和其它附属建筑。1859年，该车站被用作通往纽伦堡的铁路。而当通往罗森海姆的铁路于1860年8月12日建成后，该车站继续得到重视。由于中央车站没有更多的轨道空余，列车只好诉诸于东站。车站同时也供搭乘国际列车的旅客使用，并在1860年录得每日3,500人次的旅客发送量。在车站南侧则有采用相同风格的一座邮政车站及其它建筑落成。 慕尼黑车站于西南侧的外观，1870年从哈克桥上看到的车站轨道设施，1870年 1879年的车站轨道运用轨道运用1，2自因河畔辛巴赫及罗森海姆3，4往因河畔辛巴赫及罗森海姆5，6自/往霍尔茨基兴7，8自图青及林道9，10往图青及林道11，12自/往乌尔姆13，14自/往因戈尔施塔特15，16自/往兰茨胡特随着慕尼黑－因戈尔施塔特铁路于1867年、慕尼黑－米尔多夫铁路于1871年、慕尼黑－罗森海姆铁路及慕尼黑－布洛埃铁路于1873年相继开通，中央车站的容量问题再次凸显。为此当局拟定了两项计划：其一是由弗里德里希·布尔克莱因规划一座新的翼站；其二是兴建一座新的大堂，而所谓的“东站”则应被拆除。最终第二个计划得到落实。从1877年至1883年，在卡尔·施诺尔·冯·卡尔斯费尔德（Carl Schnorr von Carlsfeld）、雅各布·格拉夫和海因里希·格贝尔的领导下，新的车站大堂被扩建为16条轨道。其中卡尔斯费尔德对车站设施进行重新布局，格拉夫负责建筑施工，格贝尔则掌管结构设计。新的大堂被翻新为原有的两倍大，从而使其前部得以继续作为售票厅保留。其它的营运建筑则将进行扩建。建设工作于1883年年底完成。
慕尼黑中央车站的面积此时被划分为三个部分。第一部分也被称为内部，负责旅客运输、快货及件货运输。中部直至工人桥（今多纳斯贝格桥）的部分承担整车货运及编组站的职能。外部则结束于弗里登海默桥畔，它包含有及机车库、列车库和中央维修车间。车站在完成改建后距离最终的转辙器有2.9公里长，最宽处也有580米宽。其转辙器总数为226个、机车转盘为42个，以及所有轨道的总长度为82.3公里。 几年后，该车站再次被证明是规模过小。建筑师弗里德里希·格拉夫（Friedrich Graf）在此时提出应将车站搬迁至兰德斯贝格大街（Landsberger Straße），从而实现与来自慕尼黑南站、并经由施瓦宾车站（Bahnhof Schwabing）通往规划中的北站的环线铁路相接。但该计划没有实现，取而代之的是将客运从货运中分离，以保证中央车站的客流量。整车货运业务被转移至莱姆编组站到发。中央车站则保留了件货到发。改造工作在1891年开始。
1893年，皇家巴伐利亚国营铁路在中央大堂的北侧开放了斯塔恩贝格翼站（Starnberger Flügelbahnhof）。它获得了6条轨道，但只有一个临时的木质站房。长途客运此时被集中在中央大堂，往帕兴方向的短途运输则被移往翼站。1897年，翼站获得了巴伐利亚的首个联锁控制信号塔。莱姆编组站于1896年落成，因此除件货外的所有货运业务都被转移至莱姆进行。此外，通往兰茨胡特的铁路获得了一条经由宁芬堡宫后侧的新路由，以使其能够与莱姆编组站相连接。而往帕兴方向的铁路则被转移至一座新建的立交桥。
1904年5月1日，中央车站被正式更名为慕尼黑火车总站（München Hauptbahnhof）。它共设有22条轨道，日均处理约300班列车。在随后的几年内，这座车站在当时40.7万人口的城市中的日均旅客发送量达到18,000人次。随着旅客数量的持续上升，进一步的扩建计划被纳入议事日程。F. X. 李比希和特奥多·莱赫纳（Theodor Lechner）建议在煤炭岛新建一座通过式车站，并与伊萨尔河谷铁路相连。那里是德意志博物馆现址。而其它的可能性，例如在哈克桥西侧新建一座通过式车站，并以一条隧道与慕尼黑东站相连；以及将本地运输转移至地下车站和将中央车站搬迁住慕尼黑南站等方案都进行了审议。
在巴伐利亚财政部于1911年9月的一份研究报告中，所有这些方案都因为当局更倾向于扩建斯塔恩贝格翼站和新建霍尔茨基兴翼站而被否决。该报告还规定，将全部短途运输均转移至两座翼站进行。它同时也对通过式车站在未来是否适用表示质疑。扩建工程于1914年开始，但它们却因第一次世界大战的爆发而推迟。两座翼站直至1921年4月30日才得以投入营运。短途运输此时已大部分转移至翼站。凭借着霍尔茨基兴车站拥有的额外10条轨道，慕尼黑中央车站共最大限度的获得了36条轨道。而行车服务也在1922年至1929年间建成了9座联锁控制信号塔。 在1925年至1927年期间，由慕尼黑到发的6条铁路线均实现了电气化，因此除了霍尔茨基兴翼站外，车站的所有轨道都架设了接触网。它在国营铁路时期同样也有新的改造规划。德意志国铁路计划将车站搬迁至哈克桥以西。为此，通过一条1,900米长的隧道穿越特蕾西娅草坪地底、并与慕尼黑南环铁路相接的联络线已经建成，但本地的运输服务应该仍在毗邻的尽头式车站终到。莱姆编组站需要在这些计划落实后进行拆卸，作为替代，则应在米尔贝茨霍芬新建一座编组站。但由于德国在随后几年进入大萧条，这些计划没有得以实现。
1928年7月15日，在车站出口位置的多纳斯贝格桥发生了一起铁路事故。52841次体育专列与一列加班列车相撞并引发火灾，并造成10人罹难。
自1933年起，阿道夫·希特勒开始委托赫尔曼·阿尔克制定新的车站重建计划。新的车站应该在莱姆和帕兴之间重建，且旧的设施可以通过从卡尔广场引出的普拉希特大街（Prachtstraße）与新车站相连。但阿尔克的计划无法令委托人满意，因为受到接待大厅的影响，其对面120米宽的普拉希特大街无法铺开。赫尔曼·吉斯勒在1938年以一个45度角面向道路的车站方案解决了这一难题。他计划构建一个有136米高的巨大穹顶建筑，其直径将达到265米。1942年5月，德国国营铁路接到希特勒的命令，开始构建一个连接全欧洲的宽轨铁路计划。在该计划中，铁路的轨距应为3米，净空限界则为8米乘8米。而宽轨的柏林－慕尼黑铁路与巴黎－维也纳铁路应该在慕尼黑相互连接。十条准轨轨道和四条宽轨轨道应在一条7米深的隧道内修建。然而，上述计划并没有得以实现。
在1939年的夏季运行图中，每天共有112班定期营运的长途列车在慕尼黑总站到发。因此它也成为了德意志国铁路长途运输网络的11个重要节点之一。 在第二次世界大战期间，慕尼黑总站因盟军的轰炸而遭到重创，但列车在每次空袭后仍继续维持开行。直至1945年2月25日，大部分的列车服务才在高达112次轰炸后而被迫改道。此时车站仅开行有1班通往帕兴的车次。所有长途列车都必须在慕尼黑周边进行大范围的绕行或利用慕尼黑北环铁路作为替代路线。总体而言，车站的损失高达710万帝国马克，并造成了大量的人员伤亡。1945年4月30日，美国军队进入慕尼黑，最初纳粹德军仍然奉命保卫车站，但由于反击实际上已毫无意义，因此最终车站的和平移交得以实现。1945年5月6日，尽管面临缺乏建筑材料和繁复的审批程序等困难，车站还是启动了战后重建工作。至1945年6月24日，已有128班列车得以再次经由慕尼黑总车站到发。自同年12月16日起，车站的每日列车处理量更是达到了235班。
从1945年5月16日至8月16日，由于在战争中被炸毁的站台顶棚面临坍塌的危险，废墟中的其余部分均被拆除，以便进行重建。作为战后新开端标志的新斯塔恩贝格翼站自1950年5月开始兴建，它由海因里希·格布尔（Heinrich Gerbl）设计，其宏大的新古典主义风格被视为具有落后的前瞻性，同时层柱式大堂也被批评为令人联想起纳粹时期。前厅的宽度为宽度为240米，长度为222米。同年，主建筑的前四个区域完工。1951年，车站南部的一家酒店开业。随着1952年6月26日引入的动力集中式列车服务，使得列车得以免除了机车换挂的麻烦。主建筑于1953年重新投入营运。随后霍尔茨基兴翼站也在1954年5月实现了电气化。调车无线电在1956年2月6日投入使用，以便车站范围内可以进行简易的调车作业。霍尔茨基兴的月台在1958年8月1日获得了一个横向的顶棚。根据弗朗茨·哈特的设计所构建的车站主厅也在1960年8月1日完工。主厅有140米宽和220米长。除了在建筑边缘有间距为70米的柱列外，它在中间行还有一排柱列，这在当时是极为罕见的。如今的站房建筑是在1960年8月1日落成。 中央信号所于1964年10月11日凌晨4点开始投入运作。新的信号所可对295个转辙器、446个铁路信号机、300个配备免检轨道装置的区间和7条自动闭塞路线进行集中控制。信号所共有4个联锁装置可供使用，其中1个用于控制霍尔茨基兴翼站、2个用于主站的轨道以及1个用于斯塔恩贝格翼站。新的只需要38名操作人员及12名信号维护人员，并可以由此节省93个工作职位。
在随后的几年中，邮政业务、包括在车站下方设立的自己的邮政地铁系统已经可供使用，但它受到乘客干扰的问题却日益严重。1968年8月18日，一个独立的包裹处理车站在威廉·哈勒大街（Wilhelm-Hale-Straße）投入营运，它是通过一条复线铁路与慕尼黑总站相连。
斯塔恩贝格翼站的运输服务自1967年起受到慕尼黑快铁主线的建设影响，因为主线被设计在其下方通过。为了能及时在1972年夏季奥运会时投入服务，快铁主线及新的地下车站赶在1972年4月28日建成。在夏季奥运会期间，有大量的旅客经由慕尼黑总站到发。以1972年9月2日为例，在不包括慕尼黑快铁营运的情况下，车站共录得3.5万人次的客流量。首条地铁线，当时的U8/U1线（今U2/U1线）于1980年10月18日开始经由慕尼黑总站运行。随着快铁的进一步发展和扩建，前往沃尔夫拉茨豪森的快铁S7线自1981年5月31日起得以通过一条260米长的隧道将快铁主线与慕尼黑总站的所有轨道连接在一起。而在此之前，原被标记为S10线、往返于沃尔夫拉茨豪森的短途列车服务则结束了在霍尔茨基兴翼站的到发。用于U4/U5线的地铁月台于1984年3月10日开通。在1980年代，接待大厅在埃克哈德·法赫尔（Ekkehard Fahr）、迪特·沙伊赫（Dieter Schaich）和约瑟夫·莱茵德尔（Josef Reindl）的主导下被转化成流动大厅和旅游中心，以创造一个透明和开放的流动环境。在1989年的夏季运行图中，凭借着日均269班定期运行的长途列车到发量，该车站成为德国联邦铁路网络中的12大枢纽车站之一。 原有20厘米高和5.4至6米宽的月台被认为是太低和太窄。在3.2米宽的行李月台被废除后，车站建成了一种新的76厘米高、宽达10.2米的客运月台。此外，月台的设施，例如长椅也得到了翻新以及部分月台的长度得以扩展至430米。在12道和13道的地下还有一种行李隧道投入使用。北部和南部的车辆侧线和机械处理设施也得到了扩建。其中南部的侧线还获得了自己的SpDrS 60型信号塔。这些建设工程于1976年8月动工，并至1987年圣诞节完成。
一款新的翻页式显示器于1981年开始在大堂的越式站台中投入使用。同时在除了霍尔茨基兴翼站外的所有个别月台中，也都分别安装了翻页式显示器。这些替代的面板早前曾被固定在缓冲器区域的上方，并有部分至今仍然存在于霍尔茨基兴翼站内，但如今已不再使用。此外，还有37台显示器被安装在室内区域，例如售票厅中。所有显示器均由一台计算机进行控制，后者储存有时刻表变化的全部基本信息。它们均由信号所完成更新。为了配合城际快车的开行，一个洗车厂也于1991年在铁路设施的南部投入营运，并在随后的几年中被进一步扩建为ICE动车基地。自2004年起，整个车站范围内都实现了视屏监控。共有70个摄像头由德国铁路安全部门设于该车站的控制中心进行操控。同时，翻页式显示器已被替换为了更具现代化的液晶显示器，广播系统也完成了现代化更新。 在德国铁路制定的一份名为“慕尼黑21”的计划和慕尼黑市政府在1990年代的设想中，慕尼黑总站将被转换为一个设于地下的通过式车站。但由于缺乏经济可行性和资金不足，该项目被无限期押后直至另行通知。
自2000年底开始，慕尼黑总站开始作为一条通往慕尼黑机场的磁悬浮铁路的终点站进行改建。但由于成本原因，该项目至2008年3月27日被撤销。
在兴建慕尼黑快铁第二主线的规划中，车站大堂的地下将新建一座快铁车站。建设工作最初在2008年至2011年持续进行，但由于路线的东段走向在此后进行了重新调整，进一步的施工被押后进行。当前人们希望它能在2019年竣工。
此外，车站的前端也有计划进行拆除，并将以一个由奥尔-韦伯-联合建筑事务所设计的新售票厅所取代。但该项目如果与上述两个项目同时进行，其资金问题将难以得到保障。2011年5月，德国铁路宣布，将采用一个较为简单的构造而不是在设计比赛中获胜的设计方案，并声称该方案的成本预算更为低廉。慕尼黑市政府及慕尼黑市议会批评替代方案无法符合要求，同时也对成本预算表示质疑，因为新的方案只是在快铁和地铁之间采用空间较小的换乘通道才更为便宜。在替代方案于2011年5月18日提交慕尼黑市议会审议后，德国铁路经理人安德烈·蔡格的答辩被否决。然而在此之后，慕尼黑市长克里斯蒂安·乌德和德国铁路总裁顾儒伯达成一致，双方同意实施奥尔-韦伯-联合建筑事务所的获胜方案。2013年9月中旬，该事务所获得了德国铁路授予的外包合同，负责对新的接待大厅进行整体规划。德国铁路预期该计划在2015年提交审批，以便可与第二主线的工程同时完工。
截至2014年，车站的底层已完成了重新设计。在快铁区域将投资2,400万欧元改造，在地铁区域则为2,000万欧元。此外，防火设施也将在2015年底得到改善。
