Am 15. Juni 1868 bekam Donaueschingen seinen ersten Bahnhof. Er lag an der 34,92 Kilometer langen Strecke von Engen über Immendingen und Hintschingen. 1892 eröffnete die 2,84 Kilometer lange Strecke nach Hüfingen. Dafür mussten die Bahnhofsanlagen erweitert werden, so wurde unter anderem ein Bahnmeistergebäude errichtet. Der Umbau des Bahnhofs war 1893 abgeschlossen.
Eine neue Güterhalle stand 1899 zur Verfügung und der Bau eines weiteren Maschinenhauses begann. Durch die Baumaßnahmen der Höllentalbahn 1901 erfuhr der Bahnhof abermals umfangreiche Erweiterungen. 1902 wurden das neue Empfangsgebäude samt Abortanlagen, ein weiteres mechanisches Stellwerk und eine Bahnsteighalle fertiggestellt. Die Bahnsteigschaffner erhielten Kontrollstände. 1910 waren die Bauarbeiten des Bahnhofs bis auf die Bahnsteigdächer abgeschlossen. Diese Arbeiten endeten erst 1912.
Im Zweiten Weltkrieg wurde der Bahnhof stark in Mitleidenschaft gezogen. Das Richtfest des Empfangsgebäudes fand am 19. November 1954 statt. Neben dem zweigeschossigen Dienstgebäude befindet sich im eingeschossigen Flügel eine Gaststätte und die Schalterhalle. Das Gebäude wurde erst 1959 fertig gestellt.
