Ab 1879 konnten Privatbahnen durch Beschluss eines neuen Gesetzes verstaatlicht werden. Nachdem dieses auch in Bielefeld griff, fanden erste Veränderungen an der Empfangshalle 1885 statt. Das klassizistische Gebäude erhielt beidseitig symmetrisch angeordnete Anbauten, die größer als der eigentliche Bau waren. Darüber hinaus erfolgte die Verlegung des Güterschuppens. Im letzten Jahrzehnt des 19. Jahrhundert wurden Industrie- und Wohnungsbebauung weiter intensiviert. Im Bereich der Jöllenbecker Straße, Wertherstraße und der Bahnlinie entstand eine neues Viertel, das aber jenseits der Bahngleise lag. Wegen des starken Zugverkehrs kam es immer wieder zu Behinderungen beim Überqueren der Bahngleise. Der über Bielefeld führende Ost-West-Schienenverkehr hatte sich inzwischen zu einer der wichtigsten Bahnlinien im Reich entwickelt. Der Personen- und Güterverkehr hatte somit Mitte der 1890er Jahre seine Grenzen erreicht. Zu klein waren wieder die Räumlichkeiten zur Lagerung der Güter, zu kurz die Ablagegleise. Die Bahnübergänge waren oftmals mehr als eine Stunde blockiert.
1899 machte die Königlich-Preußische Eisenbahndirektion eine größere Summe für die Anlage eines neuen Güterbahnhofes zwischen Stadtholz und Eckendorfer Straße frei, da der ursprüngliche Bahnhof keinerlei Erweiterungskapazitäten mehr hatte. Zeitgleich war ein neuer Bahnhof auf dem Langen Kampe geplant, der Bielefeld mit Lage/Lippe verbinden sollte. 1903 konnte der Güterverkehr dort aufgenommen werden. Ein Jahr später fuhren etliche Züge über den neuen Ostbahnhof.
Die Eisenbahn hatte sich inzwischen zum wichtigsten Transportmittel für Personen und Güter entfaltet, so dass sich über viele Jahre weitere Umbaumaßnahmen anschlossen. Damit der Verkehr nicht allzu großen Störungen unterliegen musste, hatte man sich dazu entschieden, in Abschnitten zu bauen. Im Verwaltungsbericht der Stadt Bielefeld ist 1906 zu lesen: „Mit den baulichen Arbeiten, die infolge der Erweiterung des Hauptbahnhofes und des Neubaus des Empfangsgebäudes erforderlich werden, ist begonnen worden. […] Von neuen Gebäuden sind in Angriff genommen und werden im nächsten Jahr fertig: ein neuer Lokomotivschuppen, ein neuer Wasserturm, ein neues Ueberwachungsgebäude für Zugbegleitungspersonal, ein neuer Versandgüterschuppen und ein neues Abfertigungsgebäude. Mit dem Neubau des Hauptbahnhofsgebäude ist noch nicht begonnen.” Erst ein Jahr später – nach Fertigstellung u. a. von Reparaturwerkstatt, Dienstwohngebäude und Räumlichkeiten für die Bahnmeistereien – wurde der erste Spatenstich für den Bau der Empfangshalle getätigt. Vier Millionen Reichsmark waren für den Neubau bewilligt worden.