1906年，清政府批准修建西直门到门头沟的铁路支线方案，同年10月，詹天佑带领工程技术人员开始勘测建造“京门铁路线”，门头沟火车站随之建立。 1939年日本占领期间，修筑了门头沟至木城涧区间，门头沟站的地位进一步提升，成为了重要的煤炭运输枢纽。 20世纪60年代到90年代，门头沟火车站一直是门矿、城子矿等煤炭转运的核心枢纽。 2000年以来，随着门头沟新城建设和京西各煤矿的陆续关闭，门头沟站的客运功能逐渐减弱。 如今，门头沟站现为京津冀货物快运办理站（三家店营业部），仅办理货物发到。 采用中国传统的悬山屋顶，并向外两侧延展出廊庑，使站房在外观上显得更加舒展大气，具有浓郁的中式风格。 墙面采用了当地出产的毛石，不仅体现了就地取材的原则，降低了建筑成本，还使车站具有鲜明的地方特色，与周边的自然环境相得益彰。 外门与窗上均用砖砌拱券，拱券只覆盖门或窗的最上方，拱券正中采用凸出墙面的拱心石，墙面转角也使用了转角隅石，流露出浓厚的西式风格。 修建京门铁路及门头沟站的初衷就是为了将门头沟地区丰富的煤炭资源运出，为京张铁路蒸汽机车提供燃料，同时也满足了北京城区对煤炭的需求。 在过去的百年间，门头沟火车站一直是门头沟地区经济发展的重要支撑，带动了当地煤炭产业的繁荣，促进了区域间的物资交流和经济合作。 门头沟火车站是京西地区重要的交通枢纽之一，它不仅连接了北京城区与门头沟区，还通过多条铁路线路联通了全国多个城市和地区。 目前，门头沟站已不再办理客运业务，只有少量的货运列车在此停靠。车站周边的环境得到了一定的改善，京西铁路遗址公园的建设，为市民提供了一个休闲娱乐的好去处。 随着京津冀协同发展战略的深入实施，门头沟区的交通基础设施将不断完善。虽然门头沟火车站的客运功能已经弱化，但它作为京西地区重要的货运节点，未来有望在区域物流配送、产业升级等方面发挥新的作用。