La gare de Dettwiller est mise en service le 29 mai 1851 par la Compagnie du chemin de fer de Paris à Strasbourg lorsqu'elle ouvre la section de Strasbourg à Sarrebourg de la future ligne de Paris à Strasbourg.
Le 21 janvier 1854, la Compagnie des chemins de fer de l'Est succède à la Compagnie du chemin de fer de Paris à Strasbourg.
En 1871, la gare entre dans le réseau de la Direction générale impériale des chemins de fer d'Alsace-Lorraine (EL) à la suite de la défaite française lors de la guerre franco-allemande de 1870 (et le traité de Francfort qui s'ensuivit).
Le 19 juin 1919, la gare entre dans le réseau de l'Administration des chemins de fer d'Alsace et de Lorraine (AL), à la suite de la victoire française lors de la Première Guerre mondiale. Puis, le 1er janvier 1938, cette administration d'État forme avec les autres grandes compagnies la SNCF, qui devient concessionnaire des installations ferroviaires de Dettwiller. Cependant, après l'annexion allemande de l'Alsace-Lorraine, c'est la Deutsche Reichsbahn qui gère la gare pendant la Seconde Guerre mondiale, du 1er juillet 1940 jusqu'à la Libération (en 1944 – 1945).
En 2010, la SNCF envisage de démolir le bâtiment voyageurs de la gare, désaffecté, en raison de sa vétusté. Le conseil municipal de Dettwiller ne s'oppose pas à la démolition du bâtiment malgré les protestations de plusieurs habitants.
L'ancien bâtiment voyageurs est démoli entre le 22 et le 28 octobre 2012. La gare devient une simple halte. Ce bâtiment, de style néo-classique, qui datait des années 1850, était identique à plusieurs des gares de la ligne, notamment celle de Lutzelbourg ou la première gare de Mommenheim, qui existent toujours. Il correspond vraisemblablement à un bâtiment de type 5 qui aurait été agrandi par la suite.
Les nouveaux aménagements de la gare de Dettwiller sont inaugurés le 9 novembre 2013 en présence de Philippe Richert, président de la région Alsace, Patrick Hetzel, député du Bas-Rhin, Thierry Carbiener, conseiller général du Bas-Rhin, Pierre Kaetzel, président de la Communauté de communes de la région de Saverne, Jacques Mazars, directeur régional de la SNCF, Thomas Allary, directeur régional de RFF, et Gabriel Osswald, maire de Dettwiller.
