Powstanie stacji w Bolesławcu wynikło z przeprowadzenia przez miasto magistrali kolejowej Wrocław – Berlin, czego dokonało Towarzystwo Kolei Dolnośląsko–Marchijskiej w latach 1844–1847.
Uruchomienie odcinka linii kolejowej z Legnicy do Bolesławca nastąpiło 1 października 1845 roku. Niemal rok później, 1 września 1846 r., wydłużono linię do Węglińca (przez potężny wiadukt nad rzeką Bóbr) i dalej do Frankfurtu nad Odrą. Połączenie z Berlinem uzyskano 1 września 1847 r. Tego samego dnia otwarto linię z Węglińca do Zgorzelca, co umożliwiło również połączenie Wrocławia i Bolesławca z Saksonią, w tym jej stolicą: Dreznem.
Bolesławiecki dworzec i pobliski wiadukt kolejowy oglądali, między innymi, Fryderyk Wilhelm IV Pruski (wizyta ta miała miejsce 8 maja 1852 r. podczas krótkiej przerwy w podróży) oraz car Aleksander II Romanow, który gościł w mieście 29 maja 1856 r.
Towarzystwo Kolei Dolnośląsko–Marchijskiej zostało upaństwowione przez Prusy w roku 1852 i stało się jedną z pierwszych pruskich kolei państwowych. Po zjednoczeniu Niemiec w 1920 r. państwową infrastrukturę kolejową przejęło Deutsche Reichsbahn. W wyniku zmian geopolitycznych po II wojnie światowej, Bolesławiec w 1945 r. znalazł się w granicach Polski, a zarząd nad tutejszą koleją przejęły Polskie Koleje Państwowe.
Dworzec główny w Bolesławcu powstał wraz z budową linii w 1845 roku i był dwukrotnie rozbudowywany. W roku 1857 w osi dworca wzniesiono budynek poczty (zniszczony w roku 1945), a w 1926 dobudowano obszerny hall z poczekalnią.
Wysoki standard techniczny i dobry stan zachowania dawnej magistrali berlińskiej umożliwiły jej eksploatację bez większych zmian do lat 80. XX w. Po roku 1980 na linii przeprowadzono częściową wymianę podkładów drewnianych na strunobetonowe. 23 grudnia 1985 r. na odcinku Legnica – Węgliniec uruchomiono trakcję elektryczną, co umożliwiło kursowanie przez Bolesławiec elektrowozów i elektrycznych zespołów trakcyjnych. Podczas prac nad elektryfikacją, wymieniono dotychczasową sygnalizację kształtową na semafory świetlne. W 1986 r. na odcinku Chojnów – Bolesławiec – Węgliniec lekkie szyny typu S49 zastąpiono mocniejszymi, typu S60.
W ramach modernizacji europejskiego korytarza E30, którego częścią na odcinku Legnica-Węgliniec jest linia kolejowa nr 282, w latach 2005–2007 stacja przeszła gruntowną przebudowę. Oprócz wymiany układu torowego, sieci trakcyjnej itp., zbudowano w miejscu dotychczasowych dwa nowe perony i połączono je przejściem podziemnym. W grudniu 2007 roku na peronie 1 uruchomiono Lokalne Centrum Sterowania, z którego odbywa się zdalne sterowanie ruchem pociągu w Bolesławcu oraz na stacjach: Miłkowice, Chojnów, Okmiany i Zebrzydowa. W maju 2008 r. zakończył się remont dworca, gdzie m.in. wyremontowano hol, wyczyszczono posadzki, wymieniono pokrycie dachu i odnowiono elewację.