La station de Saverne est mise en service le 29 mai 1851 par la Compagnie du chemin de fer de Paris à Strasbourg, lorsqu'elle ouvre officiellement, avec son personnel et son matériel, l'exploitation de la section de Strasbourg à Sarrebourg de la future ligne de Paris à Strasbourg. L'inauguration de cette section a eu lieu le 18 mai ; cependant, la Compagnie du chemin de fer de Paris à Strasbourg, qui manque de cheminots formés, confie l'exploitation à la Compagnie du chemin de fer de Strasbourg à Bâle, qui a de l'expérience. 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). Elle est renommée « Zabern ». Le bâtiment voyageurs d'origine est agrandi à plusieurs reprises durant la période allemande. En 1877, la ligne vers Molsheim est ouverte.
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 Saverne. 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).
Saverne comportait également un dépôt de locomotives. Dans les années 1950, les effectifs de ce dépôt étaient de 15 engins dont des 141 TB et des 050 B7. La rotonde du dépôt est démolie entre 1958 et 1963 et remplacée par une simple remise à une seule voie qui subsiste encore de nos jours.
En mars 1969, le service voyageurs ferroviaire est fermé en direction de Molsheim.
La gare de Saverne est desservie par le TGV, depuis le 28 août 2006 (circulations alors réalisées uniquement sur la ligne classique Paris - Strasbourg). La première phase de la LGV Est européenne est mise en service le 10 juin 2007, ramenant ainsi le meilleur temps de parcours vers Paris à un peu moins de 2 h. Celui-ci était réalisé sur des liaisons sans arrêt intermédiaire. Cependant, l'arrivée du TGV entraîne la suppression des trains Corail qui circulaient sur la ligne classique. Avec la mise en service de la deuxième phase de ladite LGV le 3 juillet 2016, seule la desserte via Nancy et Sarrebourg est conservée, avec un temps de parcours de l'ordre de 2 h 35 min pour rallier la capitale.
Un pôle d'échanges, comportant un parking souterrain et une gare routière, est inauguré le 25 novembre 2007. Cette nouvelle infrastructure prend place sur l'emprise de l'ancienne halle à marchandises.
L'EuroCity Iris, qui reliait Bâle à Bruxelles via Colmar, Strasbourg, Saverne, Metz et Luxembourg, est supprimé le 3 avril 2016 (dernier jour de circulation le 2 avril), en prévision de la mise en service du second tronçon de la LGV Est. Les TER 200 reliant Nancy ou Luxembourg à Bâle sont supprimés à cette même date. À partir du 3 juillet de la même année, l'Intercités 100% Éco, reliant Paris-Est à Strasbourg via la ligne classique, dessert également Saverne. Ce train est néanmoins supprimé en mai 2019 (dernier jour de circulation le 19).
Depuis le 9 décembre 2018, un aller-retour TER quotidien vers Paris est créé en semaine. Ce train express régional est assuré par du matériel Corail et emprunte la ligne classique.
