Станция Теплое Озеро введена в эксплуатацию в качестве разъезда с наименованием «Разъезд № 45» в составе бывшей Восточно-Амурской железной дороги в 1915 году. В конце 1930-х годов, при переходе дороги на двухпутную колею, этот раздельный пункт получил новое наименование. Станция была названа по ранее установившемуся географическому термину – по незамерзающему зимой озеру, носящему название Теплое, получившему свое наименование из-за термальных вод, которыми оно питается. Озеро Теплое соединено протокой с Бирой и не замерзает из-за бьющих холодных ключей даже зимой.

Здание железнодорожного вокзала станции Теплое Озеро построено в 1961 году. В ноябре 2007 года после завершения капитального ремонта состоялось торжественное открытие обновленного вокзала. Двухэтажное кирпичное здание было отремонтировано силами коллектива Биробиджанской дистанции гражданских сооружений. Открытие вокзала было приурочено к 110-летию Дальневосточной железной дороги и 170-летию Российских железных дорог.