In 1847 werd de spoorlijn Brussel-Luxemburg aangelegd. Voor 1894 stond het station van Groenendaal langs de andere kant van het spoor namelijk op de hoek van de Sint-Jansberglaan en de Terhulpsesteenweg. Op het kadasterplan van Popp (zie link) ziet men het station aan de Terhulpsesteenweg. Het huidige stationsgebouw werd voor het reizigersverkeer geopend op 6 februari 1896. Ondanks het feit dat het station van Groenendaal een relatief klein station was, werd het gebouw toch luxueus uitgevoerd en afgewerkt. De locatie – middenin het Zoniënwoud – trok de aandacht van de Brusselse burgerij, maar ook Leopold II zou hier een rol gespeeld hebben. Hij zou naar verluidt rechtstreeks betrokken geweest zijn bij het ontwerp.
Het station van Groenendaal werd in 1994 bij Ministerieel Besluit beschermd als monument, als een goed bewaard voorbeeld van een spoorwegstation met schuilplaats in typische 'nationale' stationsstijl. De plannen van het stationsgebouw werden in 1893 opgesteld door E.J. Roberts, architect in dienst bij de toenmalige Belgische spoorweg en verbonden aan de 'groupe de Namur'. Het stationsgebouw werd voor het reizigersverkeer geopend op 6 februari 1896.