Ketika itu Stasiun Balapan juga dibangun bersamaan dengan pembangunan jalur rel Tanggung-Kadungjati- Gundih-Solo Balapan.
Rel kereta api tersebut memiliki panjang 83 kilometer, pembangunan relnya sendiri dimulai pada tahun 1868 dan selesai pada 10 Februari 1870.
Pada bulan Februari 1870, rel serta stasiun selesai dibangun tepat pada 20 Februari 1870, Stasiun Balapan resmi beroperasi, bersamaan dengan itu, dibuka rute pertama dari Kedungjati-Gundih-Solo.
Sebelumya jalur Gundih-Solo sendiri akan dibuka pada 1 September 1869, karena pengerjaannya molor dari jadwal, baru pada 10 Februari 1870 jalur ini resmi beroperasi.
Nama resmi Stasiun Balapan sebelumnya adalah Stasiun NISM dimana pihak NISM adalah perusahaan kereta api swasta dari Belanda yang ditunjuk untuk menjalankan kereta api saat itu
Pada 24 Mei 1884, perusahaan kereta api milik pemerintah Belanda Staatsspoorwegen (SS) mulai menyambungkan jalur kereta api yang lebih dulu ada.
Mereka menyambung jalur menuju Madiun-Paron Sragen-Solo, dimana jalur rel kereta api ini memiliki panjang 97 kilometer.
Dengan dilakukannya penyambungan jalur tersebut, hal itu membuat Stasiun Balapan menjadi salah satu stasiun kereta api terbesar pada masanya.
Saat ini Stasiun Balapan menjadi stasiun tertua, setelah stasiun Nis di Semarang, Stasiun Balapan termasuk stasiun tersibuk dan paling ramai di Jawa Tengah, khususnya di daerah Jawa Tengah selatan.
Karena ikut menghubungkan berbagai kota besar di Pulau Jawa seperti Jakarta, Bandung, Semarang dan Yogyakarta.