Die Bauarbeiten der Bahnstrecke des ehemaligen Herzogtum Braunschweig von Braunschweig nach Bad Harzburg begannen am 1. August 1837. Der erste Teilabschnitt bis Wolfenbüttel wurde am 1. Dezember 1838 eröffnet. Das zweite Teilstück von Wolfenbüttel bis Schladen eröffnete am 31. Oktober 1841 und das letzte Teilstück bis Vienenburg war am 8. November 1843 fertig. Das Empfangsgebäude wurde 1840 eröffnet. Hier hielt zunächst nur die Pferdebahn von Bad Harzburg. Damit dürfte der Bahnhof Vienenburg einer der ältesten Bahnhöfe in Deutschland sein. 1844 wurde der Mittelteil des Gebäudes aufgestockt. 1888 wurde der frei stehende Kaisersaal neben der Station gebaut. 1934 wurde das Empfangsgebäude komplett mit Holz verschalt. In den Jahren 1937/1938 verkehrten in Vienenburg auch Schnellzüge. Das Empfangsgebäude verfügt über einen Kaisersaal für Wilhelm I., der 1875 in Vienenburg verweilte. Nach dem Zweiten Weltkrieg versank Vienenburg durch die Nähe der Zonengrenze in einen Dornröschenschlaf. Das Bahnhofsgebäude kaufte die Stadt Goslar, neben dem sich auch ein Eisenbahnmuseum befindet. 1987 wurde der Bahnhof, der inzwischen unter Denkmalschutz steht, renoviert und in den Urzustand zurück versetzt. 1991 verlegte man ein drittes Bahnsteiggleis.