La gare de Vernon est mise en service en 1843 par la Compagnie du chemin de fer de Paris à Rouen.
Elle disposait de plusieurs édifices construits cette même année : un bâtiment voyageurs d'un modèle type de la compagnie, en briques avec un corps central, à un étage et une marquise en fer côté quai encadré par deux ailes basses, un abri sur le quai opposé et divers bâtiments pour le service. En 1872, les installations sont modernisées et agrandies : le bâtiment voyageurs est reconstruit, sauf le corps central qui est conservé et des nouveaux bâtiments annexes, construits en briques et pans de bois, sont ajoutés.
Elle possédait anciennement un raccordement avec la ligne passant par Pacy-sur-Eure et Gisors, qui est aujourd'hui déclassée, mais dont on peut encore voir certaines traces.
Après la Seconde Guerre mondiale, une passerelle qui permettait aux habitants de traverser les voies est détruite et un souterrain est réalisé pour la traversée des voies et l'accès aux quais.
En 1989, la gare est à nouveau agrandie avec la construction d'un nouveau hall dû à l'architecte Bréant.
La gare de Vernon est située à la troisième place des gares ayant accuilli le plus de voyageurs en Haute-Normandie en 2011, derrière Rouen et Le Havre. La fréquentation représentait 1 722 890 voyageurs.
La gare a été renommée "Vernon - Giverny" en 2015 face aux demandes répétées du maire d'alors, pour l'occasion de la aison touristique. Ce sera chose faite, avec en prime de nouvelles plaques, fiches horaires, fronton de la gare, affichages numériques et dans les trains) et un réaménagement de celle-ci aux couleurs de l'impressionnisme.
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