Stuttgarts erster Bahnhof befand sich an der Schlossstraße, heutige Bolzstraße. Das 1846 fertiggestellte Bahnhofgebäude existiert in Teilen noch, wenngleich heute nichts mehr an seine frühere Zweckbestimmung erinnert.
Erste Planungen zum Aufbau eines württembergischen Eisenbahnnetzes begannen Mitte der 1830er Jahre. Da die zunächst angedachten Strecken durch das Neckartal am Stuttgarter Talkessel vorbeiführen sollten, schien es zunächst, als könne die Residenzstadt Stuttgart nur durch eine von Cannstatt her kommende Stichbahn mit der Hauptlinie des Verkehrs in Verbindung gesetzt werden.
Der in Stuttgart geborene und mit Erfahrungen im Eisenbahnwesen aus Frankreich und Österreich ausgestattete Carl Etzel gab den Planungen ab 1843 eine neue Richtung. Nach seiner Ansicht musste Stuttgart das Zentrum des württembergischen Bahnnetzes werden. So entwarf er eine Trasse von Cannstatt her kommend entlang der königlichen Anlagen in die Stadt hinein und eine in Richtung Ludwigsburg führende Strecke, die den Talkessel zum Pragsattel hin ansteigend verlassen sollte. Etzels Linienführungen bedingten Neigungswerte von zehn Promille, was in der Frühzeit des Eisenbahnwesens als relativ hoch galt. Die Erfahrung zeigte aber, dass diese Steigung schon damals praktikabel war.
Als Bahnhofstandort wählte Etzel das „Schlossstraßenquadrat“, wie es genannt wurde – ein damals noch recht junges, nordwestlich des Neuen Schlosses gelegenes Stadtviertel, das von der Schlossstraße, der Friedrichstraße, der Königstraße und der Kronenstraße umschlossen war.
Das Bahnhofgebäude befand sich schließlich ungefähr in der Mitte der nordöstlichen Front der Schlossstraße; das Postgebäude lag gegenüber. Das Empfangsgebäude fügte sich in die Straßenflucht unauffällig ein – diesem Umstand ist es wohl zu verdanken, dass das Gebäude trotz einiger Veränderungen heute noch existiert, denn es konnte nach seiner Nutzung für den Eisenbahndienst ohne Schwierigkeiten zu einem gewöhnlichen Geschäfts- und Bürogebäude umgebaut werden.
Der erste Stuttgarter Bahnhof ging am 15. Oktober 1846 zusammen mit den Strecken von Cannstatt und nach Ludwigsburg in Betrieb. Die Personenstation verfügte nur über vier Gleise. Dem Gebäude an der heutigen Bolzstraße schloss sich eine rund 113 Meter lange Bahnsteighalle an. Die Anlage war an dieser Stelle nur rund dreißig Meter breit, so dass sie von der Stadt her kaum auffiel.
Zwischen der Kronen- und der Schillerstraße wurden die Streckenäste nach Cannstatt und Feuerbach auseinandergeführt. Jeweils ein Lokomotiv- und ein Wagenschuppen flankierten mit ihren Stirnseiten in Hochlage die damalige Schillerstraße, während die genannten Strecken an ihnen beiderseits vorbeiführten. Vom Ludwigsburger Ast zweigten einige Gleise zu einem ab 1847 existierenden Güterbahnhof ab.
Diese erste, kleine Bahnhofanlage entsprach nur für kurze Zeit den Anforderungen. Schon Ende der 1850er Jahre stand fest, dass der Bahnhof erheblich ausgedehnt werden musste. Bei dem in den 1860er Jahren erfolgten Um- und Ausbau wurden nordwestlich der bestehenden Bahnhofhalle ein neuer Mittelbau und eine weitere Gleishalle errichtet. Diesen Umbau leitete Georg von Morlok, der im Dienst der württembergischen Staatseisenbahnen stand und zu den bedeutendsten württembergischen Eisenbahningenieuren zählt. Der den Reisenden dienende Mittelbau enthielt Wartesäle und Fahrkartenschalter sowie Räumlichkeiten für die Post und die Abfertigung von Gepäck. Eine prächtige Neorenaissance-Fassade mit fünf Torbogen, die von Säulen flankiert wurden, prägte nun die damalige Schlossstraße. Von dieser Fassade blieben drei Torbogen erhalten, die heute noch in der Bolzstraße zu sehen sind.
Links bzw. westlich der bestehenden Anlage errichtete man ein neues Hallenbauwerk, das man sich im Zuge der heutigen Lautenschlager Straße vorstellen muss und das am 13. Mai 1867 in Betrieb ging. Gleichzeitig wurde ein im Vorfeld des neuen Personenbahnhofs gelegener, ausgedehnter Güterbahnhof eröffnet. Dieser war für die Entwicklung der Stadt Stuttgart von elementarer Bedeutung, denn für nahezu ein Jahrhundert hing die Versorgung der ständig wachsenden Großstadt in hohem Maße von eben diesem Umschlagplatz für Güter ab. Als Ersatz für die aus dem Jahr 1846 stammende Bahnsteighalle entstand eine neue rechtsseitige Halle. Diese ging am 15. Oktober 1868 in Betrieb. Der Personenbahnhof verfügte seitdem über acht Gleise.
Der nun vollständig ausgebaute, neue Stuttgarter Zentralbahnhof erstreckte sich über eine Länge von 1450 Metern. Die Breite des Personenbahnhofs betrug fast 90 Meter, im Bereich des Güterbahnhofs erreichte die Anlage aber eine Breite von rund 230 Metern, an der Wolframstraße sogar rund 400 Meter.
Aber auch dieser durch Georg von Morlok geplante Bahnhof war schon um 1890 derart ausgelastet, dass eine Erweiterung unumgänglich war. So wurden um 1900 im Personenbahnhof jährlich rund 7,4 Millionen Reisende gezählt. Täglich verkehrten 300 Züge. Im Güterbahnhof wurden während eines Jahres etwa 650.000 Tonnen Güter umgeschlagen. Zunächst strebte die Staatsbahn eine Entlastung der Stuttgarter Zentralstation durch Güterbahnhöfe auf der Prag und im Stuttgarter Westen an. Aber schon Mitte der 1890er Jahre wurde klar, dass der Personenbahnhof erheblich ausgebaut werden musste.
Dieser Ausbau sollte zunächst im Rahmen eines wiederum im Zuge der heutigen Bolzstraße gelegenen Bahnhofs erfolgen. Nach langen Beratungen legte man aber 1907 fest, dass der Stuttgarter Hauptbahnhof nicht an dieser Stelle verbleiben würde, sondern an die damalige Schillerstraße, heute Arnulf-Klett-Platz, zu verlegen und völlig neu zu bauen sei.
Der Betrieb im alten Stuttgarter Zentralbahnhof endete am 23. Oktober 1922 nachts um zwei Uhr. Zwei Stunden später begann der Betrieb im neuen Hauptbahnhof an der Schillerstraße.