Cette gare est une des gares nouvelles de la ligne radiale LGV Atlantique. Certains trains desservent à la fois la gare de Paris-Montparnasse et cette gare, bien qu'il soit impossible d'emprunter le TGV pour une distance aussi courte.
Elle est desservie par les TGV Province-Province à l'exception des TGV Le Havre - Marseille-Saint-Charles (TGV 5316 et 5376) qui s'arrêtent à la gare de Massy-Palaiseau et non à Massy TGV.
La proximité de la gare RER de Massy-Palaiseau (on peut même considérer que Massy-TGV est une extension de cette gare) permet à cette gare de desservir, par correspondance, une grande partie du sud de l'agglomération parisienne.
La gare de Massy TGV a été ouverte le 29 septembre 1991 par la SNCF.
En juin 2007, des travaux ont commencé pour une importante restructuration du pôle et une meilleure intégration dans la ville, incluant la construction d'une nouvelle passerelle et de deux nouvelles gares en remplacement des anciennes (Gare de Massy - Palaiseau). La fin des travaux est prévue pour la fin de l'année 2010.
Son trafic annuel était de 1,1 million de voyageurs en 2006, 1,2 million de voyageurs en 2007 et 1,4 million de voyageurs en 2008.
