Historia bydgoskiego węzła kolejowego rozpoczyna się w 1851, kiedy włączono Bydgoszcz w plany związane z budową kolei na wschodnich terenach państwa pruskiego. Spowodowało to powstanie koniunktury gospodarczej i stało się jednym z czynników przyszłego rozwoju ekonomicznego.

Okres pruski

Litografia Juliusa Gretha z 1853 r. przedstawiająca nowo wybudowany most kolejowy

Początki Bydgoskiego Węzła Kolejowego wiążą się z decyzją państwa pruskiego o budowie Kolei Wschodniej (Ostbahn), która miała połączyć Berlin ze wschodnimi prowincjami państwa, docelowo z Królewcem (Königsberg) i Kłajpedą (Memel).

Początkowo budowaniem kolei zajmowało się prywatne towarzystwo akcyjne w Berlinie, które zbudowało linie kolejowe: Berlin-Szczecin (1843) i Berlin-Wrocław (1844). W 1847-1848 połączono Szczecin z Poznaniem przez Stargard i Krzyż.

Od wiosny 1843 trwały dyskusje nad trasą planowanej kolei Berlin – Królewiec. Pierwszy plan, który przewidywał poprowadzenie kolei przez Chojnice i Gdańsk został odrzucony z powodu oporu władz Gdańska, obawiających się zmniejszenia dochodów z portu morskiego. W tej sytuacji pojawił się nowy projekt trasy kolei wschodniej, od Krzyża przez Piłę, Nakło, Bydgoszcz i dalej wzdłuż Wisły do Tczewa, gdzie zaplanowano budowę mostu przez rzekę. Innym rozpatrywanym wariantem był odcinek Frankfurt nad Odrą – Poznań – Bydgoszcz – Grudziądz. Skutkiem odmowy miasta Gdańska w sprawie budowy linii kolejowej było uchwalenie przez parlament pruski w dniu 26 czerwca 1848 ustawy zatwierdzającej projekt budowy linii kolejowej Krzyż – Piła – Bydgoszcz – Tczew.

Z chwilą rozpoczęcia budowy Kolei Wschodniej, rząd pruski postanowił o przejęciu pod zarząd państwowy Towarzystwa Akcyjnego Budowy Kolei. W związku z tym utworzono w czerwcu 1848 Królewską Komisję Kolei Wschodnich, która swym zasięgiem obejmowała Prusy Zachodnie (Gdańsk), Pomorze (Szczecin), Prowincję Poznańską (Bydgoszcz, Poznań), Prusy Wschodnie (Królewiec). Zakresem swej działalności obejmowała projektowanie, budowę i rozbudowę szlaków komunikacyjnych Kolei Żelaznych. Początkowo siedzibą tej instytucji była Trzcianka, ale po decyzji parlamentu pruskiego o budowie kolei wschodniej przez Bydgoszcz, została ona przeniesiona do tego miasta. Odtąd, aż do 1895 w Bydgoszczy znajdowało się centrum decyzyjne, które kształtowało pruską politykę kolejową na obszarach położonych na wschód od Berlina.

Budowę odcinka Krzyż – Bydgoszcz rozpoczęto 26 kwietnia 1848. Pierwszy transport robotników z Berlina liczył 200 osób. W końcu września 1848 na odcinku Krzyż – Piła pracowało 1300 robotników, z czego 450 stanowili rdzenni berlińczycy. Dla zdławienia ewentualnych wystąpień rewolucyjnych, rząd pruski dokonał translokacji wojsk do miejsc robót. Roboty ziemne na odcinku Piła – Bydgoszcz rozpoczęto we wrześniu 1848 od usypania nasypu kolejowego koło miejscowości Osiek w pow. wyrzyskim. W maju 1851 budowa linii kolejowej osiągnęła Bydgoszcz, gdzie w budowie znajdował się gmach pierwszego dworca, oraz zaczątek warsztatów kolejowych.

W dniu 13 lipca 1851 pierwszy pociąg wjechał przez most nad Brdą (wys. 28 m) na dworzec. Oficjalnego otwarcia linii (145 km) dokonał 25 lipca 1851 osobiście w Bydgoszczy król Prus Wilhelm IV. Przed udekorowanym dworcem odbyło się widowisko, podczas którego wystąpił w strojach regionalnych zespół ludowy z Kujaw, który śpiewał po polsku. Pierwszy pociąg dostępny dla ogółu podróżnych odjechał z Bydgoszczy 27 lipca 1851, pokonując odległość 30 km Bydgoszcz – Nakło w ciągu 50 minut. Połączenie z Berlinem odbywało się wówczas przez Szczecin, aż do 1857, kiedy otwarto linię Krzyż – Kostrzyn nad Odrą, skracającą podróż do stolicy Prus.

W latach 1851 i 1852 trwała budowa dalszego odcinka kolei wschodniej: Bydgoszcz – Tczew – Gdańsk. Linię tą o długości 162 km uruchomiono 5 sierpnia 1852 również w obecności króla pruskiego Wilhelma IV. W ten sposób Bydgoszcz uzyskała połączenie z wybrzeżem morskim i przez Elbląg (1857) połączenie z Królewcem.

W 1861 z inicjatywy rządu pruskiego rozpoczęto budowę Kolei Warszawsko-Bydgoskiej, które było pierwszym połączeniem północnych Niemiec z Rosją. Po stronie pruskiej powstał odcinek Bydgoszcz – Toruń – Otłoczyn, a po rosyjskiej odcinek od granicy przez Włocławek do Łowicza, gdzie linia łączyła się z Koleją Warszawsko-Wiedeńską. Odtąd Bydgoszcz stała się jednym z ważniejszych na wschodzie Prus węzłów kolejowych. Aż do czasu budowy linii Gdańsk-Szczecin (1870), Poznań-Olsztyn (1872) i Piła-Chojnice-Tczew (1873) przez Bydgoszcz przechodził cały tranzyt kolejowy z Rosji i Prus Wschodnich do Berlina.

W kolejnych latach dokonywano dalszej rozbudowy węzła kolejowego. Uruchomiono następujące linie:

Dokonywano również rozbudowy linii istniejących:

Budowane od 1895 linie wąskotorowe należały do sieci Bydgoskich Kolei Powiatowych. Pierwsze odcinki oddane do użytku to odcinek z Maksymilianowa do Gądecza przedłużony później do Kozielca oraz odcinek z Bydgoszczy do Koronowa z odgałęzieniem z Morzewca do Kasprowa. W tym samym roku oddano do użytku połączenie z Gościeradza przez Witoldowo, Trzemiętowo i Kasprowo do Suchar, gdzie uzyskano połączenie z budowaną równolegle Wyrzyską Koleją Powiatową. W 1907 zbudowano połączenie wschodniej i zachodniej sieci Bydgoskiej Kolei Powiatowej poprzez most na Brdzie w Smukale.

Od 1 sierpnia 1851 rozpoczął regularne kursy pociąg pospieszny do Berlina i z powrotem. Trasę z Bydgoszczy do stolicy Prus pokonywano w 12 godzin. W 1860 ze stacji bydgoskiej codziennie odchodził 1 pociąg pośpieszny, 1 osobowy i 2 pociągi towarowe.

W 1888 na dworcu bydgoskim odprawiono 214 tys. podróżnych i przewieziono 147 tys. ton towarów. Od 1898 dla wygody podróżnych kursowały piętrowe wagony kolejowe na krótkich liniach rekreacyjnych Bydgoszcz – Rynkowo, Bydgoszcz – Chmielniki. Pasażerski ruch kolejowy przez Bydgoszcz w latach 1854-1905 wzrósł 16-krotnie.

Doprowadzenie do Bydgoszczy kolei stało się istotnym czynnikiem miastotwórczym. W pobliżu dworca już w 1851 powstały warsztaty kolejowe, które były największym przedsiębiorstwem w mieście. W latach 80. XIX wieku liczba pracowników wszystkich fabryk w Bydgoszczy sięgała tylko połowie zatrudnionych w Głównych Warsztatach Naprawczych Kolei Wschodniej. Były to największe zakłady w rejencji bydgoskiej. Po 1890 w dziale parowozów wyprzedzały warsztaty w Berlinie i Królewcu grupując 25% ogółu krytych stanowisk naprawczych parowozów, 33% tendrów i 20% wagonów. W porywach zatrudniano tam ponad 1,5 tys. robotników, a dziennie naprawiano 80 parowozów.

Lokalizacja dworca, w pewnym oddaleniu od miasta stworzyła możliwości zabudowy od podstaw znacznego obszaru – dzisiejszego Śródmieścia. Plan urbanistyczny dla tego obszaru powstał już w 1852, a zabudowa trwała aż do końca wieku XIX. Pierwsze zabudowania powstały przy ul. Dworcowej w 1852. Były to hotele oraz ok. 100 domów mieszkalnych. Równocześnie rozpoczęto zabudowę ul. Śniadeckich. Całe zachodnie Śródmieście miało charakter dzielnicy kolejowej, gdyż zamieszkiwali w niej pracownicy warsztatów kolejowych, a w latach następnych osiedlali się również pracownicy powstających w sąsiedztwie przedsiębiorstw i fabryk. W dzielnicy tej zbudowano również okazały gmach Dyrekcji Kolei Wschodniej.

W miarę rozwoju połączeń kolejowych, wzrostu przewozów i rozrostu Dyrekcji Kolei Wschodniej pojawiła się konieczność rozbudowy dworca kolejowego. W 1861 przy okazji budowy Kolei Warszawsko-Bydgoskiej gmach dworca znacznie powiększono, a w 1870 wybudowano dworzec zewnętrzny u wylotu ul. Dworcowej, w którym zlokalizowano kasy biletowe, odprawę bagażu oraz wejścia do podziemnych przejść na poszczególne perony. W latach 1872-1875 przy dworcu zbudowano Urząd Ekspedycji Pocztowej. W 1913 po pożarze poprzednika, wybudowano nowy gmach dworca zewnętrznego z wieżą zegarową.

Obok dworca głównego powstały również mniejsze dworce i przystanki kolejowe: Bydgoszcz Wąskotorowa, Bydgoszcz Wschód, Bydgoszcz Brdyujście, Bydgoszcz Łęgnowo i inne.

Osobnym zagadnieniem związanym z rangą bydgoskiego węzła kolejowego była lokalizacja Dyrekcji Kolei Wschodniej w Bydgoszczy . Była to pierwsza państwowa dyrekcja kolei w Polsce, w Europie i na świecie. W zasięgu działania Dyrekcji (według stanu na koniec 1894) czynnych było 4833 km linii kolejowych na obszarze sięgającym od Berlina po Białystok i Kłajpedę. Dyrekcja od 1852 przejęła nadzór nad wszystkimi zagadnieniami dotyczącymi rozbudowy i eksploatacji kolei we wschodnich prowincjach Prus. Jako pierwsza na ziemiach polskich zajmowała się również rozliczaniem przewozów międzynarodowych (od 1875). Dyrekcja Kolei Wschodniej w Bydgoszczy była najważniejszą i najbardziej prestiżową instytucją, jaka została zlokalizowana w Bydgoszczy w II połowie XIX wieku. W 1889 oddano dla tej instytucji nowy gmach, który należał do najbardziej okazałych budynków użyteczności publicznej, jaki wzniesiono w Bydgoszczy w okresie pruskim. W 1895 w wyniku reorganizacji kolejnictwa pruskiego powstały kolejne dyrekcje kolei państwowych w Gdańsku, Poznaniu i Królewcu, a obszar zarządzania przez dyrekcję bydgoską zmniejszył się.