18 августа 1862 года состоялось открытие железнодорожного сообщения между Москвой и Сергиевским Посадом — первого участка Московско-Ярославской железной дороги.

Тогда же был построен и вокзал. Станция изначально получила название Сергиево, и располагалась на окраине Сергива-Посада, поселения возникшего рядом с Троице-Сергиевым монастырем, основанным в 1340 годах на горе Маковец преподобным Сергеем Радонежским.

Станция, отнесенная ко 2-му классу, представляла собой деревянное здание на каменном фундаменте. В здании имелись два зала ожидания для пассажиров 1-го, 2-го и 3-го классов, буфет и квартира начальника станции. Фасады здания, декорированные обильной пропильной резьбой, были решены в так называемом «ропетовском стиле», резных деревянных теремов. Как и при любой станции 2-го класса, при станции Сергиево имелись: паровозные депо, большой паровозный круг, водоподъемное здание и дровяной склад. При станции построили два жилых дома для служащих, больницу и гостиницу на 18 номеров. Станция Сергиево до 1870 года являлась конечной.

В 1930 году церковное название города было заменено на Загорск, в память погибшего в 1919 году секретаря Московского комитета партии большевиков Владимира Загорского. Название Загорск получила и железнодорожная станция. К 1960 годам Загорск становится туристическим центром, и в 1969 году единственный из городов Московской области был включен в состав «Золотого кольца». В 1991 городу было возвращено историческое название Сергеев-Посад, которое было установлено и для железнодорожной станции.

К 1910 годам первоначальное пассажирское здание уже не отвечало нуждам железной дороги. Планировалось возвести новое пассажирское здание по проекту архитектора Федора Шехтеля, но по финансовым причинам ограничились более скромным вокзалом, тоже деревянным В 1935 году был построен новый большой кирпичный вокзал по проекту Константина Лагутина. Зал ожидания нового вокзала был оформлен картинами местных художников. К XX Летним олимпийским играм 1980 года, когда Загорск был одной из туристических точек, картины сменили декоративными композициями из металла. В 1998 году здание вокзала было капитально реконструировано по проекту архитектора Виктора Журавлева с сохранением части облика предшественника.

Рядом с вокзалом в 1999 году был установлен памятник Савве Мамонтову, одного из создателей Московско-Ярославской железной дороги.