W okresie międzywojennym miasto zostało w granicach Niemiec; nie uruchomiono połączeń międzynarodowych w kierunku Poznania i rozebrano fragment torów między obecnym przystankiem osobowym Piła Kalina a stacją Dziembówko. Odcinek został odtworzony po II wojnie światowej, gdy Piła przeszła pod administrację polską.
19 maja 1988 roku na terenie stacji miała miejsce katastrofa kolejowa transportu wojskowego, w wyniku której zginęło 10 żołnierzy, a 28 zostało rannych.
W latach 1989–1990 tory stacyjne zostały zelektryfikowane. W roku 1993 zlikwidowano Zakłady Naprawcze Taboru Kolejowego, a 25 maja 1994 stację rozrządową. 1 września 2012 roku, po dwunastoletniej przerwie, wznowione zostały przewozy pasażerskie na trasie Piła Główna – Szczecin Główny przez Wałcz, Kalisz Pomorski i Stargard.
W lipcu 2010 roku dworzec oraz parowozownia zostały wpisane na listę zabytków.
16 maja 2014 przedsiębiorstwo SKB rozpoczęło remont dworca na zlecenie PKP. Remont objął m.in. wymianę posadzek i tynków, malowanie, montaż nowych instalacji, wymianę pokrycia dachu wraz z konstrukcją oraz wykonanie nowych stropów. Dworzec został dostosowany do potrzeb osób niepełnosprawnych.