La estación de Bilbao toma su nombre directamente de la glorieta de Bilbao, donde se encuentran sus accesos. La documentación museística de Metro de Madrid incluye Bilbao entre las ocho primeras estaciones inauguradas por Alfonso XIII el 17 de octubre de 1919, en la línea original entre Cuatro Caminos y Sol. La línea 4 llegó después, cuando se abrió el tramo Argüelles-Goya el 23 de marzo de 1944.
El nombre de la glorieta es anterior al Metro. Procede de la Puerta de Bilbao, una puerta de la antigua cerca de Felipe IV situada cerca del final de la calle de Fuencarral. En 1837, cuando la Primera Guerra Carlista había convertido a Bilbao en símbolo de resistencia liberal, Madrid dedicó la antigua Puerta de San Fernando a la ciudad vasca y a sus defensores.
El lugar tuvo un nombre todavía más antiguo: Puerta de los Pozos de la Nieve. Aludía a los pozos de nieve y hielo de este borde norte de Madrid, donde se almacenaba bajo tierra la nieve traída desde la sierra para refrescar bebidas, conservar alimentos y servir a usos médicos. Un estudio de los Anales del Instituto de Estudios Madrileños documenta la secuencia Puerta de los Pozos de la Nieve, Puerta de San Fernando y Puerta de Bilbao.
La dedicatoria fue concreta. La inscripción de la puerta de 1837 elogiaba a los heroicos defensores y libertadores de la invicta villa de Bilbao, mientras que por el otro lado se leía Puerta de Bilbao. La puerta desapareció después con el ensanche decimonónico de Madrid, pero su nombre conmemorativo pervivió en la plaza que se formó en aquel entorno.
Para la estación, la explicación más segura es por capas: Metro nombró la parada por la glorieta madrileña, la glorieta heredó el nombre de una puerta desaparecida y esa puerta conmemoraba la resistencia de Bilbao durante la guerra carlista. La mención del Café Comercial en la redacción actual aporta buen contexto urbano, porque el café histórico sigue ligado a la glorieta, pero no forma parte del origen del topónimo.