Under andra hälften av 1800-talet pågick ett intensivt järnvägsbyggande i Sverige. År 1862 förbands Stockholm och Göteborg genom Västra stambanan. Järnvägen mellan Katrineholm och Norrköping var en del i förbindelsen Stockholm–Malmö.

I juli 1863 inleddes arbetet med tidvis uppemot 3 000 rallare från Småland och Västergötland. Bandelen ansågs vara byggnadsmässigt svår med tunnelbygge och sprängningar genom Kolmården. Tre år senare var den 48 kilometer långa järnvägen klar för trafik.

Samtidigt uppfördes Norrköpings stationshus som var sammanbyggt med en trespårig banhall. Huset ritades av Statens Järnvägars chefsarkitekt Adolf W. Edelsvärd och byggdes av stadsarkitekten i Norrköping Carl Theodor Malm. Centralstationen med karaktär av nyrenässans är numera byggnadsminnesförklarad men fortfarande i bruk. Framför stationsbyggnaden anlades Järnvägsparken – numera norra delen av Carl Johans park – med den så kallade Delfinfontänen.

Den 2 juli 1866 invigdes den nya Katrineholm–Norrköpingsbanan. Klockan 10.17 avgick ångloket ”Norrköping” från den nya stationen. Loket var smyckat med Östergötlands och Södermanlands vapen och drog tretton vagnar fullsatta med inbjudna gäster. På resan Katrineholm tur och retur gjordes även korta uppehåll på stationerna i Åby, Simonstorp och Strångsjö. 

Sträckan Norrköping–Linköping öppnades först 1872 och helt färdig blev Östra stambanan mellan Katrineholm och Nässjö inte förrän 1874. Förseningen berodde bland annat på dåliga statsfinanser. Från Nässjö gick redan Södra stambanan till Malmö och därmed hade Norrköping järnvägsförbindelse med landets tre största städer.

Redan på 1890-talet diskuterades en järnväg via Nyköping för att förkorta resan mellan Norrköping och Stockholm. År 1909 inleddes arbetet och 1915 öppnades den nya banan från Åby station till Järna vid Västra stambanan.

Byggandet av stambanorna genom Sverige var statliga projekt, men det tillkom också ett omfattande smalspårigt järnvägsnät på privat initiativ. Smalspåren var billigare att bygga eftersom sliprarna var kortare och banvallen smalare. Storstaden Norrköping med station på stambanan kom att bli knutpunkt i ett växande nät av lokala järnvägar. 

År 1892 bildades Norrköping–Söderköping–Vikbolandets Järnvägsaktiebolag efter en utredning med representanter från Norrköping, Söderköping och den omkringliggande landsbygden. Två år senare var sträckan Norrköping–Söderköping klar och efter ytterligare ett år nådde järnvägen ända ut till Arkösund. Senare beslutade bolaget att förlänga sin bana till Valdemarsvik och 1906 var hela den nya sträckan klar.

Den nya smalspåriga järnvägen utgick från Östra station. Det första stationshuset uppfördes 1893 och här knöts trafiken söderut, österut och till hamnen så småningom ihop med järnvägen till Örebro. Bangården och stationshuset blev för litet och 1910 byggdes den nuvarande stationsbyggnaden en liten bit från det äldsta. Nya Östra station ritades av Werner Northun och fick karaktär av jugend och nationalromantik.

Det andra privata järnvägsbolaget som trafikerade Norrköping hade också Östra station som utgångspunkt: Norra Östergötlands Järnvägsaktiebolag, som var en sammaslagning av mindre bolag som hade trafikerat sträckorna Norsholm–Finspång och Finspång–Pålsboda. I början av 1900-talet förlängdes banan norrut till Örebro och söderut till Norrköping. Den sista sträckan, Kimstad–Norrköping, öppnades 1906. Därmed fick också Norrköping ett tredje stationshus: Kneippbadens station, senare omdöpt till Västra station. Även denna byggnad finns kvar och är i dag Västra Station Bed & Breakfast i Kneippen. 

År 1939 beslutade riksdagen att de privata järnvägarna i landet skulle förstatligas och 1950 tog SJ över de smalspåriga banorna i östra Östergötland. Den ökande konkurrensen från bilar, bussar och lastbilar gjorde trafiken allt mindre lönsam och 1960 lades Arkösundslinjen ned. Två år senare upphörde persontrafiken till Kimstad och i september 1966 anlände rälsbussen från Söderköping till Östra station i Norrköping för sista gången. 

Drygt 150 år efter att ångloket ”Norrköping” för första gången tuffade iväg mot Katrineholm väntar staden på ett nytt stort järnvägsprojekt. Ostlänken mellan Järna och Linköping ska bli den första delen av nya stambanor som ska knyta ihop Sveriges tre storstadsregioner – någon gång i framtiden.