Am 13. Mai 1850 wurde mit dem Bau des Friedrich-Franz Bahnhofs begonnen und 1853 eröffnet. Er lag an der Bahnstrecke Bad Kleinen - Rostock. Vom Bahnhof liefen zwei Bahnsteiggleise weiter bis zum Hafen. Am 22. Dezember 1883 begann der Bahnbetrieb auf der Strecke nach Wismar. Am 1. Juni 1886 eröffnete die Eisenbahn- und Dampfschiffahrtsgesellschaft Deutsch-Nordischer-Lloyd die Bahnstrecke von Neustrelitz über Rostock nach Warnemünde. An diesem Tag wurde auch das Empfangsgebäude im Stil der englischen Gotik (heutiger Hauptbahnhof) in Betrieb genommen. 1894 kaufte das Großherzogtum Mecklenburg-Schwerin die Eisenbahngesellschaft des Norddeutschen Lloyd auf. Der alte Bahnhof wurde bis 1997 als Güterbahnhof weiter verwendet. Das Stationsgebäude ist bis heute erhalten geblieben. Am 16. Dezember 1895 begann der Eisenbahnverkehr auf der Strecke über Saßnitz nach Tribsees und auf der Strecke nach Ribnitz am 1. Juni 1889. 1913 erweiterte man das Empfangsgebäude um einen, mit Jugendstil Elementen versehenden Vorbau (heutiger Nordeingang). 1922 baute man einen Personentunnel und zwei zusätzliche Bahnsteige. Im Zweiten Weltkrieg wurde der Bahnhof durch Bombenangriffe beschädigt. Nach 1945 begann der provisorische Wiederaufbau. Der Umbau des Bahnhofs von 1999 bis 2003 brachte einige Erneuerungen mit sich. Ein Empfangsgebäude auf der Südseite, das durch einen Personentunnel mit der Nordseite verbunden ist, wurde neu gebaut. Das alte Inselgebäude wurde bis auf einen kleinen Teil angerissen. Das Empfangsgebäude des Nordausgangs neu gebaut, wobei die alte Empfangshalle integriert wurde. Unter den Bahnhofsgebäuden gibt es eine Haltestelle der Rostocker Straßenbahn.