Op 20 augustus 1863 opende de Nederlandsche Centraal Spoorweg Maatschappij (NCS) de spoorlijn Utrecht - De Bilt-Station - Amersfoort (- Hattummerbroek). Jonkheer H. van den Bosch, eigenaar van Jaglust, had grond afgestaan voor de spoorlijn. Als tegenprestatie diende de trein er vier keer per dag te stoppen op een te bouwen stationnetje. In 1864 werd de lijn doorgetrokken tot Zwolle. Rondom de halteplaats was nauwelijks bebouwing. In 1866 werd begonnen met de bouw van een stationskoffiehuis dat later bekend stond als Hotel Dennenhoeve. Dat pand is door de bouw van verkeerstunnels gesloopt. De uit 1899 daterende stationschefwoning is in 2012 gesloopt. Het pand is in het Spoorwegmuseum heropgebouwd.
In 1901 werd een spoorlijn naar Zeist aangelegd. In dat jaar werd ook besloten tot de bouw van een nieuw station. De frequentie van de lijn naar Zeist werd in 1912 verdubbeld. De laatste passagierstrein naar Zeist reed in januari 1941; de laatste goederentrein in 1972. De spoorlijn naar Zeist werd in 1978 gesloopt. Op een groot deel van de voormalige spoordijk is een fietspad aangelegd.
De vestiging van het station heeft de ontwikkeling van Bilthoven geïnitieerd. De eerste villa, Villa Ensah, werd gebouwd voor de secretaris van de NCS, de heer Ameshoff, de eerste forens. Kort daarna werden de kenmerkende witte villa's langs de Soestdijkseweg Zuid gebouwd. Ten noorden van de spoorlijn kwamen de villaparken na 1910 tot ontwikkeling. De nieuwe woonkern, ging in 1917 Bilthoven heten.