1899年11月，侵占中国东北地区的沙俄军队修建东清铁路南满支路到奉天(现沈阳)，为了交通运输的方便，在此建成车站，俄人称之为“茅古甸”(满语“谟克敦”译音，为兴盛之意)即奉天，属于当时的四等小站。

1904年，日俄战争爆发。翌年3月10日，日军占领奉天，“谟克敦”开始为日本人服务，同时改名为“南满洲铁道奉天驿”。为了进一步扩大车站能力，1909年，日本南满洲铁道株式会社开始对奉天驿进行改建扩建，今天的沈阳站便是在那时初具规模，其建筑在沈阳红砖建筑技术及艺术发展的历史上具有一定代表性。在此后的数十年间，奉天驿又先后经历了1926年和1934年的两次扩建，它成为当时东北地区最为重要的客运中转车站。

1945年8月15日，奉天驿回到沈阳人民手中。1946 年，奉天驿改为沈阳南站。建国后，中长铁路成立，于1950年5月1日改称为沈阳站，定为中长局的四个特等站之一。

1991年沈阳北站建成通车，沈阳站列车减少，渐渐地开始沉寂下来，沈阳站由东北地区最大的客运编组站变成一个长途过路车的中转站(客运编组性质不变)。此后的10年间，沈阳站的运输状况一直不令人满意，加之车站久经风雨、设施老化、容量有限，整个沈阳站已显现出苍老之势。直至1997年，一场全面整修沈阳站的战役才全面打响，第三候车室的改造、新高架候车室的新建，一系列经过专家反复论证的设计方案出炉，人们期待着新沈阳站能恢复她往日“车如流水马如龙”的热闹场面。