La première gare d'Athis-Mons ou station de Petit-Mons est ouverte le 1er avril 1841, quelques mois après l'inauguration officielle de la ligne de Paris à Corbeil (17 septembre 1840) , première section du Paris-Orléans autorisée par la loi du 1er août 1839 : initialement, le chemin de fer ne faisait que traverser le territoire de la commune sans y avoir de gare, mais un arrangement conclu entre la Compagnie et deux propriétaires permit l'ouverture, entre les stations d'Ablon et de Viry, d'une station d'essai au passage à niveau de Petit-Mons qui ne fut jamais supprimée. La création d'une gare de marchandises, près du viaduc de l'Orge, complète ces installations en 1857. En 1904 a lieu le doublement des voies entre Paris et Juvisy, dans le cadre d'un projet global concernant les lignes entre Paris et la Bifurcation de Vendôme adopté le 15 avril 1901 ; ce doublement, pour lequel la Compagnie d'Orléans s'engage à effectuer tous les travaux de voirie engendrés dans les communes, est combiné avec l'électrification des lignes. Il entraîne le remaniement complet des installations de la gare d'Athis : déviation entre 1902 et 1904 du chemin d'intérêt communal n° 29 reporté à une plus grande distance de la ligne et franchissant l'Orge sur un pont métallique de 7 m de large (porté à 9 m en 1938) ; élargissement du viaduc de l'Orge par l'adjonction, côté Seine, d'un tablier en maçonnerie à une seule arche de 14 m d'ouverture biaise ; déplacement du bâtiment voyageurs de quelques dizaines de mètres avec suppression du passage à niveau et création d'un passage souterrain offrant un débouché au chemin communal ; remplacement en 1905 de l'ancien lavoir communal (lavoir François) par un nouveau lavoir construit au pied du remblai de la déviation avec rampe d'accès. Le bâtiment de la nouvelle gare est construit entre 1905 et 1908. En 1938, le déplacement de la gare de marchandises (alors agrandie) est nécessité par les travaux de construction de la ligne de chemin de fer Grande Ceinture entre Valenton et Juvisy.