En 1899, sir William MacKenzie et Donald Mann fondent le Canadian Northern. Ce réseau ferroviaire transcanadien, concurrent du Canadian Pacific (CP) veut dès ses débuts établir son terminus à Montréal. La compagnie annonce dès le début du siècle son intention de creuser un tunnel de 5 km sous le mont Royal et de construire un long viaduc qui converge vers une future gare centrale électrifiée. À l’époque, le projet comprend aussi un hôtel.

La construction du tunnel débute en 1913 et se termine trois ans plus tard avec son ouverture. Toutefois, la construction du complexe ferroviaire cesse en raison des problèmes financiers du Canadian Northern. Seule une gare temporaire est construite.

En 1918, le gouvernement fédéral canadien prend le contrôle du Canadian Northern qui devient en 1923 le Canadien National, maintenant connu sous le nom CN.

C’est aussi à ce moment que le gouvernement décide de reprendre la construction de la Gare Centrale et même d’élargir le projet commencé par le Canadian Northern.

En 1929, le crash boursier et la Grande Dépression qui s’en suit viennent ralentir les travaux. Ils commencent tout de même.

Le CN met alors en place 4 voies ferrées et une petite gare de passagers le long de la rue De La Gauchetière Ouest dans le quartier Ville-Marie. En 1931, pour faire place à la nouvelle gare, l'église néo-gothique St. Andrew and St. Paul de la rue Dorchester est démontée, transportée et reconstruite au collège de Saint-Laurent.

La construction reprend à plein rythme avec la fin de la crise. En 1939, le CN creuse une énorme excavation sur le site pour installer les voies niveau 69 et sous-niveau 53. Les Halles du niveau 90 et les bureaux de la Gare Centrale s’ajoutent vers 1941.

Les travaux se terminent en 1943 et la gare est inaugurée.

Dans les années 50, le CN poursuit son projet de complexe avec l’ajout d’un hôtel. Le président de la compagnie de l’époque, Donald Gordon, approuve les plans de George Drummond en 1953 et les travaux commencent en 1954. C’est aussi Donald Gordon qui décide malgré de nombreuses réticences, entre autres du maire Jean Drapeau, de nommer l’hôtel Le Reine Elizabeth en l’honneur de la souveraine couronnée en 1952.

Les travaux se terminent en 1958 et Le Reine Elizabeth est inauguré en grande pompe.

Dans les années 60, Montréal connaît une période de grand développement urbain et la ville se transforme. La construction de plusieurs édifices et places publiques autour de la Gare consolide sa position centrale dans la vie urbaine.

Parmi ces édifices, le siège social du CN terminé en 1961, la place Ville-Marie en 1962 et la tour du Terminal en 1968, sans oublier le métro inauguré en 1966. C’est aussi les débuts de la ville souterraine à laquelle la Gare Centrale est reliée.

Depuis, la Gare continue d’évoluer au rythme de sa ville. Dans les années 80, elle s’agrandit pour ajouter les Halles. 

Elle devient ainsi un complexe qui comprend la Gare Centrale et les Halles de la Gare. Ces dernières comptent une cinquantaine de magasins et restaurants et constituent un lieu commercial incontournable pour les visiteurs, les voyageurs et les travailleurs des alentours.