1891年，沙俄入侵中国东北。为了夺取中国东北地区，沙俄政府提出了把西伯利亚铁路延伸到中国东北境内的要求。

1898年3月27日，东清铁路建设当局开始对南支线进行勘探，1899年1月全部完成。同年7月6日，自哈尔滨和宽城子两地同时向南动工；9月3日自旅顺口向北动工。

1899年2月从哈尔滨开始向南铺轨，同年年底铺至松花江，1900年2月铺至窑门。

1899年11月，侵占中国东北地区的沙俄军队修建东清铁路南满支路到奉天(现沈阳)，为了交通运输的方便，在此建成车站，俄人称之为”茅古甸”(满语”谋克敦”译音，为兴盛之意)即奉天，属于当时的四等小站。

1903年7月14日，中东铁路全线正式通车。

沈阳站东站房于1910年10月1日开始启用，由日本建筑师陈野金武的学生太田毅和吉田宗太郎设计，与陈野金武设计的日本东京站非常相似。目前，沈阳站东站为辽宁省文物保护单位。

在满洲国时期，奉天驿始终被日本作为一个重要的铁路交通枢纽来经营。从东北各地夺取的战略物资纷纷经此转运到大连，再装船运往日本。

奉天驿建成后，先后经历了1926年和1934年两次扩建，陆续建成四个候车室，建筑面积为6555平方米，是当时中国东北地区最为重要的客运中转车站。1944年12月至1945年1月，对日作战的美军将奉天驿的五座货物仓库彻底炸毁。

1945年后，奉天驿被更名为沈阳南站。沈阳解放后，中苏共管的中长铁路成立，并由李连奎任第一任站长。

1950年5月1日，沈阳南站正式改名为沈阳站并且成了一座特等站。朝鲜战争爆发后，沈阳站成为向前线运输物资的集散地。为改善旅客候车条件，沈阳站多次改扩建，以满足旅游需求，但风格、比例、色彩等方面仍延续原有建筑风格。

1945年，苏军攻入沈阳，于当年10月在奉天驿前落成苏军烈士纪念碑，即沈阳人所熟知的“坦克碑”。

2006年，沈阳站开始了大规模的改造，其西侧的高架候车室在改造中被拆除。“坦克碑”也告别矗立了61年的沈阳站广场，被迁往苏军烈士陵园。

2012年7月30日，新建成的西站房和高架候车厅投入使用。

东站房进站口设在沈阳站大钟下方，进站大厅大门设置在中央岗楼处。

其站场10台19线客货运股道规模在东北地区排名第四，仅次于沈阳南站12台26线、哈尔滨西站10台22线和大连北站10台20线。