Dès 1856, les différents partenaires et acteurs du projet de ligne de chemin de fer de Montluçon à Moulins tombent d'accord sur l'emplacement de la gare, "dans la plaine du Châtelet, sur la rive droite du Cher" (AD 03, cote 5s 1232). De premiers bâtiments sont construits entre 1856 et l'ouverture de la ligne en novembre 1859, mais le bâtiment définitif n'est semble-t-il réalisé qu'entre 1862 et 1863 (alors que la ligne Montluçon - Bourges vient d'ouvrir à la fin de 1861) et son inauguration par Napoléon III a lieu en août 1864. Parallèlement, les abords de la gare ont été aménagés, en particulier une avenue dont la perspective ouvre sur le bâtiment de la gare.

C'est une gare de la compagnie du PO. Elle comprenait, outre le bâtiment des voyageurs, un dépôt avec deux demi-rotondes et trois ponts tournants (2 d'origine et un 3e construit en 1951) ajoutés en 1880. La demi-rotonde sud a été démolie en 1975 et la deuxième amputée de 7 de ses travées ; deux des trois ponts tournants ont été supprimés également. Malgré tout, les vestiges de cet dernière ainsi qu'un pont tournant ont été inscrits au titre des Monuments historiques en 2011.

Deux autres stations existent à Montluçon : l'arrêt de La Ville-Gozet, installée sur la ligne desservant Bourges (au nord-ouest du centre ville de Montluçon), et l'arrêt de Montluçon-Rimard (au sud-est du centre ville de Montluçon) sur la ligne de Moulins.