Den första järnvägslinjen, då kallad Uddevalla-Vänersborg-Herrljunga Järnväg (UWHJ), öppnade 1867. Den andra linjen är en del av gamla Bergslagernas Järnvägars (BJ) huvudlinje mellan Göteborg och Falun. Den stod klar i sin helhet 1879. Järnvägarna förstatligades 1940 respektive 1948.
På 1990-talet slutade det gamla stationshuset (som låg strax söder om spårkorset) att användas. Istället byggdes en liten väntsal med café närmare plattformarna som ligger norr om det gamla spårkorset.
Under 2004/2005 byggdes det gamla spårkorset där de båda järnvägarna korsade varandra bort. Detta som en del av byggandet av snabbtågsjärnvägen Göteborg–Öxnered, en del av Norge/Vänerbanan. Istället byggdes ett triangelspår längre söderut för att ansluta spåret mot Uddevalla.
Under en kort period, 29 maj 1988–27 maj 1990, hette stationen Vänersborg Västra, även annonserat som Vänersborg Öxnered.[1]
