Die 28,22 km lange Bahnstrecke von Halberstadt über Quedlinburg nach Thale wurde am 2. Juli 1862 von der Magdeburg-Halberstädter Eisenbahn- Gesellschaft feierlich eröffnet. Ausschlaggebend für den Bahnbau war neben der Eisenhütte in Thale auch die Samenzucht in Quedlinburg, die in ganz Europa bekannt war und ein Drittel des benötigten Saatguts herstellte. Das im neugotischen Baustil gehaltene Empfangsgebäude ist bis heute erhalten geblieben. Zum Bahnhof gehörte noch ein Lokschuppen. Am 1. Juli 1885 wurde die 16,1 km lange Strecke von Ballenstedt nach Quedlinburg eröffnet. 1889 wurde der Bahnhof um einen Güterschuppen, einen Eilgutschuppen und ein Aborthäuschen erweitert. Bis 1892 wurden die Gleisanlagen sukzessive erweitert. Die Lokstation wurde um eine Drehscheibe mit einem weiteren Lokschuppen und Übernachtungsgebäude vergrößert. Am 5. April 1907 war die Bahnstrecke von Blankenburg nach Quedlinburg durchgängig befahrbar. Dafür baute man den Bahnhof durch einen Wasserturm, ein Aufenthaltsgebäude, ein Toilettenhäuschen und zwei Stellwerke weiter aus. Die Weltwirtschaftskrise im Jahr 1929 reduzierte den Bahnverkehr dramatisch. Erst 1935 verbesserten sich die wirtschaftlichen Verhältnisse wieder. Nach dem Zweiten Weltkrieg mussten Eisenbahner im Auftrag der sowjetischen Militärverwaltung überflüssige Strecken- und Nebengleise im Bahnhof abbauen, die dann als Reparation in die UDSSR transportiert wurden. 1992 baute die Stadt den Bahnhofsvorplatz mit der markanten Kreisverkehrsinsel um. Ab 1993 wurden die Gleisanlagen teilweise zurückgebaut. Am 4. März 2006 fand die feierliche Eröffnung der Schmalspurstrecke nach Gernrode durch die HSB statt. Alle Hochbauten im Bahnhofsbereich stehen unter Denkmalschutz.