La gare de Montélimar est mise en service le 29 juin 1854 par la Compagnie du chemin de fer de Lyon à la Méditerranée (LM), lorsqu'elle ouvre à l'exploitation la section de Valence à Avignon de sa ligne de Lyon à Avignon
En avril 1857, la gare est intégrée dans le réseau de la Compagnie des chemins de fer de Paris à Lyon et à la Méditerranée (PLM),
Nouvelle compagnie née de la fusion entre la Compagnie du chemin de fer de Paris à Lyon et la Compagnie du chemin de fer de Lyon à la Méditerranée
De 1893 et 1934, la gare de Montélimar est une gare d'échange, terminus du tramway à voie métrique construit en accotement routier entre Montélimar et Dieulefit. Celui-ci avait été rapidement surnommé, en référence à un fromage local, le Picodon.
En juillet 2016, débute un chantier comportant d'importants travaux dans la gare, pour la modernisation du hall, l'amélioration de l'accès aux quais et la création d'un nouveau commerce.
Montélimar est desservie par des TGV qui assurent la relation de Paris-Gare-de-Lyon vers Avignon-Centre ou Miramas
En 2017, trois aller-retours directs sont proposés pour une durée maximale de 2 h 54 min. C'est également une gare régionale desservie par des trains TER Rhône-Alpes des relations de Lyon-Part-Dieu à Avignon-Centre ou Marseille-Saint-Charles.
Un parc pour les vélos et un parking pour les véhicules y sont aménagés.
Elle est desservie par des autobus du réseau urbain , par des autocars départementaux et par des autocars TER
Inutile d'entrer dans la gare pour trouver la petite boite, allez plutôt voir du coté du parc à vélos.