In 1863 neemt de Nederlandsche Centraal Spoorweg Maatschappij de spoorlijn Utrecht – Hattemerbroek in gebruik. De meeste stations langs de zogenaamde Centraalspoorweg krijgen een standaard stationsgebouw. De Bilt en Hulshorst krijgen een klein rechthoekig haltegebouw. Al in 1876 krijgen beide stationsgebouwen een extra verdieping waarna de complete benedenverdieping alleen nog voor de stationsdiensten bestemd is.
Rond de eeuwwisseling krijgen diverse stations aan de Centraalspoorweg een nieuw breed eilandperron. Met de opening van de lijn naar Zeist verhuizen ook de stationsvoorzieningen van De Bilt in 1901 naar het nieuwe eilandperron. Op het perron komt een stalen constructie die, in de vorm van twee gebouwen, is opgevuld met baksteen. In het ene gebouw komen loketten en een goederenafdeling en in het andere gebouw de wachtruimtes en toiletten. De rest van de constructie vormt de overkapping van een deel van het perron. Een jaar eerder is ook de nieuwe woning van de stationschef gereed. Het oude stationsgebouw is vervolgens in 1907 gesloopt. Enkele jaren later is de kap aan beide zijden van het perron aanzienlijk verlengd. In 1918 is het station vernoemd naar het dorp dat rond het station is ontstaan: Bilthoven.
Zowel begin jaren ’60 als eind jaren ’90 zijn de perrongebouwen ingrijpend verbouwd. Rond 2013 gaat een groot deel van de stationsomgeving op de schop om ruimte te maken voor een nieuwe fiets- en voetgangerstunnel die tevens toegang biedt tot het perron. Om ruimte te maken voor de nieuwe onderdoorgang is de woning van de stationschef uit 1900 in 2012 gedemonteerd. In 2015 is de woning in het Spoorwegmuseum weer opgebouwd.
Op de foto boven dit artikel station Bilthoven op 26 januari 2014. Op dat moment wordt aan de oostzijde van het station de nieuwe fiets- en voetgangerstunnel aangelegd. Door de geluidsschermen die later zijn neergezet is het stationsgebouw vrijwel niet meer vanaf de openbare weg te zien.