Станция Тбилиси начала свое существование в 1872 году, после того, как было закончено строительство железнодорожного участка Зестафони – Тифлис. В 1952 году старое здание вокзала снесли и на его месте воздвигли новое. То же самое произошло в 1982 году, только здание железнодорожного вокзала пришлось взрывать, потому что оно оказалось слишком прочным, новый вокзал, который должен был поставлен на месте взорванного, закончили только в 1991 году, примерно десять лет спустя.
На сегодняшний день планируется построить новый железнодорожный вокзал. Месторасположение, которого пока не утверждено, но точно известно, что он будет построен вдали, от ныне существующего.
На территории вокзала Тбилиси находятся кассы пригородного и междугороднего сообщения с Арменией и Азербайджаном. Также здесь есть комфортный зал ожидания, кафе быстрого питания, комнаты отдыха. Поезда дальнего следования, в основном отправляются с вокзала в вечерние часы, что делает поездку пассажиров комфортной, так как утром они уже находятся на месте назначения.