La station de Vendenheim 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 mais 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.La gare de Vendenheim est inaugurée le 18 juillet 1852 par Napoléon III.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 Vendenheim. 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).Les travaux du second tronçon de la LGV Est européenne, entre Baudrecourt et Vendenheim, démarrent en août 2010.Les quais de la gare sont réaménagés durant l'été 2015, tandis que l'ancien poste d'aiguillage mécanique, datant de 1928 est détruit. Ce dernier était inutilisé depuis la mise en service d'un poste d'aiguillage informatique (télécommandé depuis celui de Strasbourg) les 18 et 19 janvier 2014.La mise en service commerciale du second tronçon de la LGV Est européenne était initialement prévue pour le 3 avril 2016. Elle est retardée en raison de l'accident survenu lors des essais le 14 novembre 2015. Celle-ci est reportée au 3 juillet 2016.À compter du 3 juillet 2016, Vendenheim est également desservie, les jours ouvrés, par deux aller-retours quotidiens de la relation Strasbourg - Saverne. La desserte de la gare, dont la fréquentation est de 520 montées et descentes par jour, est cependant réduite durant les heures creuses. La commune de Vendenheim et l'Eurométropole de Strasbourg envisagent de créer un pôle multimodal comportant un parking et deux arrêts de bus à proximité de la gare.Une quatrième voie entre Vendenheim et Strasbourg sera mise en service à l'horizon 2022. Cette réalisation devrait ainsi permettre de fluidifier le trafic sur la branche nord de l'étoile ferroviaire strasbourgeoise.
