Lors de la création de la ligne de chemin de fer de Paris-Rouen en 1843, la gare Mantes-station, située sur le territoire de Mantes-la-Ville est, avec Vernon, la principale station intermédiaire entre Paris et Rouen, elle est desservie chaque jour par un train terminus, en plus des six trains quotidiens dans les deux sens. Les trains directs s’y arrêtent une dizaine de minutes, le temps pour les voyageurs de se rendre au café-restaurant sur le quai pour profiter d’« un grand buffet chargé de fruits, pâtisseries et rafraîchissements » et pour les locomotives de se ravitailler en eau. Cette première gare est petite, comme la gare actuelle reconstruite dans les années 1860, et la ligne est encaissée.

C'est pourquoi en 1855, lorsque l’embranchement vers Caen est construit, la gare est déplacée d’un kilomètre vers l’ouest, sur le territoire de Gassicourt. Elle comporte en outre une gare de marchandises et un dépôt. L'implantation des ateliers de réparation et d'entretien à mi-chemin entre Paris et Sotteville a rendu nécessaire la construction d'une cité cheminote appelée la cité Buddicom, le long de l'actuelle rue Pierre-Sémard.

En 1892 deux voies nouvelles sont créées en lien avec l'ouverture de la ligne Paris-Mantes par Argenteuil et un nouveau bâtiment est élevé de l'autre côté des voies, sur la place. Il est inauguré en 1896.

Le dépôt qui a pris de plus en plus d'importance est bombardé en 1944 et reconstruit en 1945-1946. Une rotonde pour locomotives fut construite en 1948 sur le modèle de la "rotonde unifiée type P" unique sur le réseau de l'Ouest. Elle a été détruite en 1977 mais on en voit le tracé sur les plans des années 60. En 1995 une passerelle et des escaliers extérieurs avec ascenseurs sont construits par l'architecte Michel Macary et l'ingénieur Peter Rice.