广州火车站的“前世”是位于白云路的大沙头站，1910年建成。
大头沙火车站
1911年，大头沙火车站随广九铁路开通投入运营，是原广九铁路华段终点站，曾经是广州市内规模最大的铁路客运站，划归粤汉铁路管理局管理。
1937年，国民政府为连接广九、粤汉铁路，修筑了粤汉线西联站至广九线石牌站的铁路，称为广北联络线。
1946年底，粤汉线黄沙火车站的客运业务也开始转移至大沙头火车站。随后黄沙火车站更名为广州南站，主营列车编组和货运。
1947年，大沙头火车站改名为“广州东站”。同时又在广北联络线与广九铁路东山—天河站间修建了“云水联络线”。至此，粤汉铁路上的旅客列车可以直达大沙头火车站。由于广九、粤汉铁路的客运列车均在大沙头火车站始发终到，使之成为两条铁路动脉的客运枢纽。
1949年新中国成立以后，原广九铁路华段改名为广深铁路。
1951年，“广州东站”正式更名广州站。[22]
1953年，原广州南站（黄沙站）至石围塘站的铁路轮渡建成使用，使广三铁路的列车可以与粤汉、广九铁路相互过轨。而从广州南站及广三铁路方向进入市区的列车必须经原广州北站（今棠溪站、广州白云站）折角运行终到广州站。
1954年，为了让来自原广州南站（黄沙车站）及广三铁路方向的列车缩短运行距离和时间，原广州铁路局修建了连接广北联络线流花桥和粤汉铁路广州西站的流西联络线，并在广北联络线上设置了流花桥线路所。而流花桥线路所就是后来广州新客站（今广州站）的前身。
1955年，原广州铁路局首次向原铁道部上报《广州枢纽技术设计任务书》，其中包含在流花地区建设广州新客站的内容。但当时铁道部认为广州地区各站能力尚有富余，未批复建设，仅要求“及早做出远期方案”。这是第一次报建。
1957年，武汉长江大桥建成，京汉铁路和粤汉铁路合并为京广铁路。京广铁路全长2300多公里，是联通南北的交通大动脉，作为中国的南大门，广州站此时在全国交通战略地图中的地位又一次被凸显。
1958年5月，在全国大跃进的形势下，原广州铁路局再次向铁道部申报。获批立项兴建，选址在流花桥。