Железнодорожный вокзал Тамбова был построен в 1869 году на месте Тамбовской ярмарки и стал частью линии Козлов (ныне Мичуринск) — Тамбов. Первоначальное здание представляло собой типовую постройку с двухэтажным центральным объёмом, двумя одноэтажными крыльями, часовыми башнями и декоративным оформлением фасада.
В 1917–1918 годах в здании размещался штаб Красной гвардии, а во время Великой Отечественной войны вокзал подвергался налётам вражеской авиации. В 1958 году его перрон стал местом съёмок фильма «Судьба человека». К 100-летию железной дороги, в 1966 году, здание было полностью перестроено.
Станция Тамбов I входит в Мичуринский регион Юго-Восточной железной дороги. Она не электрифицирована, обслуживается тепловозами и принимает поезда дальнего следования и пригородные составы. В 2018 году вокзал прошёл очередную реконструкцию.