Znajdujący się przy ulicy Dworcowej okazały gmach tarnowskiego dworca kolejowego, jest trzecim z kolei budynkiem stacyjnym na tym miejscu. Kolej żelazna zawitała do Tarnowa 20 lutego 1856 roku, kiedy oficjalnie otwarto linię kolejową Kraków – Dębica . Budynek pierwszego, prowizorycznego dworca wraz z wieżą do ogrzewania wody, był gotowy już rok wcześniej. Jego obrys znany jest jedynie z zachowanych map kolejowych.
W latach 1859-1861 powstał drugi budynek dworca. Parterowy budynek w stylu neorenesansowo-tyrolskim składał się z przedsionka, holu z kasami, restauracji i oddzielnych poczekalni dla trzech klas pasażerskich. Na dworcu znajdowały się także kasa bagażowa, pomieszczenia służbowe pracowników kolei, biuro pocztowe i biuro zawiadowcy. W skład terenu stacji Tarnów wchodziły także prostokątna lokomotywownia na osiem maszyn, wagonownia, magazyn, stacja wodna z pompą parową i warsztaty.
Lata siedemdziesiąte i osiemdziesiąte XIX wieku to czas budowy nowych linii kolejowych i stacja kolejowa w Tarnowie stała się węzłem kolejowym o dużym znaczeniu. 18 sierpnia 1876 roku oddano do użytku budowaną przez trzy lata linię kolejową z Tarnowa do Leluchowa, gdzie łączyła się z linią z Preszowa. Zmodernizowano linię Kraków – Lwów, a kilka lat później na trasie został położony drugi tor. W 1892 roku w Tarnowie pojawiła się druga hala parowozowni i nowa wieża ciśnień. Wzrastająca liczba pasażerów wymusiła też rozbudowę budynku dworcowego, który został powiększony o przeszkloną galerię pomiędzy zachodnim a środkowym ryzalitem, wzorowaną na dworcu północnym w Wiedniu.
W latach 1905-1906 wybudowano jednotorową linię kolejową Tarnów – Szczucin o długości 48,6 km, która otwarta została 15 października 1906 roku. W tym samym roku rozpoczęto także budowę nowego, reprezentacyjnego gmachu dworca. Budynek powstał w oparciu o projekt Ernsta Baudischa z wiedeńskiego Ministerstwa Kolei Żelaznych. Dworzec, otwarty 24 listopada 1910 roku, charakteryzował się obszernym westybulem z dużymi oknami, dwa razy wyższym od przylegających łączników, wiążących go z mniejszymi salami restauracyjnymi. Od strony zachodniej został dobudowany budynek poczty. Perony dworca połączono tunelem, a nad platformą drugiego peronu zbudowano wiaty na żeliwnych kolumnach. Tarnowski dworzec powstał według tego samego projektu, co wybudowany wcześniej dworzec w Stanisławowie.
Rok później na dworcu pojawiło się dziesięć malowideł olejnych autorstwa Edmunda Cieczkiewicza, malarza i kolejarza z Nowego Sącza, przedstawiających Tatry i Pieniny. Po II wojnie światowej, na polecenie władz, obrazy zostały zdjęte. Po jakimś czasie część z nich odnaleziono, poddano konserwacji i znów powieszono w holu dworca.
Tarnowski dworzec przez lata swojej historii widział i przeżył wiele.
30 czerwca 1929 witał pociąg specjalny z trumną z prochami generała Józefa Bema. Wagon z trumną jechał z Turcji przez Jugosławię i Budapeszt.
28 sierpnia 1939 roku o godzinie 23:18, w przechowalni bagażu nastąpił wybuch bomby pozostawionej w dwóch walizkach wypełnionych materiałami wybuchowymi. W wyniku wybuchu śmierć poniosło 20 osób, 35 zostało rannych. Zamachu dokonali ludzie przeszkoleni w Niemczech, a bezpośrednim wykonawcą zamachu był Antoni Guzy z Bielska.
14 czerwca 1940 roku z Tarnowa odjechał pierwszy transport więźniów do obozu koncentracyjnego KL Auschwitz. O transporcie przypomina tablica pamiątkowa odsłonięta w 2005 roku.
Pod koniec 2006 roku rozpoczął się remont generalny dworca. Prace obejmowały wzmocnienie fundamentów, odtworzenie oryginalnej architektury dworca, wymianę podłóg, instalacji elektrycznej, wodno-kanalizacyjnej i telekomunikacyjnej. Odrestaurowano wnętrze budynku i odnowiono elewację. Plac przed dworcem został wyłożony nową nawierzchnią z kostki porfirowej i bazaltowej, sprowadzonej z Włoch. Remont dworca, który zakończył się w 2010 roku, pochłonął 42 miliony złotych. Po otwarciu dworca, na ścianach powieszono dwa wielkoformatowe obrazy bieszczadzkiego malarza Tomasza Żyto-Żmijewskiego, nawiązujące tematyką do dwóch zaginionych obrazów Edmunda Cieczkiewicza.
W 2024 roku tarnowski dworzec doczekał się swojego patrona. W poniedziałek, 9 września, w obecności m.in. Władysława Kosiniaka-Kamysza, wiceprezesa Rady Ministrów i ministra obrony narodowej, Dariusza Klimczaka, ministra infrastruktury, Krzysztofa Jana Klęczara, wojewody małopolskiego, Alana Berouda, prezesa zarządu Polskich Kolei Państwowych S.A., Marka Steindela, prawnuka Wincentego Witosa, Jakuba Kwaśnego, prezydenta Tarnowa oraz posłów i przedstawicieli środowisk lokalnych i samorządowych, nadano mu imię Wincentego Witosa.
