La gare du « Bois de Colombes » est ouverte en 1857 par la Compagnie des chemins de fer de l'Ouest. Elle dessert un lotissement apparu en 1851 en même temps que la ligne d'Asnières à Argenteuil, ouverte le 28 avril 1851. L'importante croissance de ce lotissement, établi sur le territoire communal de Colombes, justifie l'érection d'une commune indépendante sous le nom de Bois-Colombes en 1896. La nouvelle municipalité compte déjà plus de dix mille habitants à cette date.
Dès le début du XXe siècle, les retards fréquents provoquant la grogne des usagers amènent le réseau de l'État à mettre en place un wagon-bar pour tromper l'impatience des voyageurs. Malgré le passage de quatre-vingt-trois trains quotidiens en 1910, l'affluence croissante provoque des difficultés d'accès aux trains aux heures de pointe, qui arrivent souvent complets, et un blocage régulier des passages à niveau encadrant la gare.
Un vaste programme de modernisation de la petite banlieue Saint-Lazare entraîne l'électrification de plusieurs lignes par troisième rail, alimenté en 650 volts continu. Les tronçons Paris - Bécon-les-Bruyères, et Paris - Bois-Colombes sont ouverts au public en traction électrique le 27 avril 1924. La presse salue alors la modernité du matériel, le nouveau matériel « Standard », qui demeurera pendant un demi-siècle emblématique de la banlieue Saint-Lazare, comparé aux rames du métropolitain, pour son confort et son silence.
À proximité, a été remonté, en 1899, l'embarcadère du Champ-de-Mars de l'exposition universelle de 1878, préservé en raison de son caractère. Ce bâtiment de Juste Lisch, également appelé gare des Carbonnets, est inscrit à l'inventaire supplémentaire des monuments historiques depuis le 13 août 1985. Il est établi à l'emplacement d'anciens ateliers de la Compagnie des chemins de fer de l'Ouest, ravagés un an plus tôt par une violente tornade. Il sert de 1924 à 1936 de gare électrique. C'est ici qu'arrivent les navettes en provenance de Paris, les trains à vapeur en direction d'Argenteuil et au-delà desservant toujours l'ancienne gare de Bois-Colombes encore à deux voies, avant qu'elles n'utilisent la nouvelle voie centrale de la gare actuelle reconstruite à l'emplacement de l'ancienne durant les années 1930.
Le bâtiment voyageurs actuel, dessiné par Urbain Cassan, date de 1935. Il est reconstruit en plateforme au-dessus des voies lors du creusement, de 1933 à 1935, de la tranchée qui permet la suppression des passages à niveaux qui causent déjà de très gros embouteillages, en particulier celui de la rue des Bourguignons, ainsi que la mise à quatre voies du tronçon Asnières - Le Stade. La nouvelle gare est mieux adaptée au flux croissant de voyageurs consécutif au développement de la commune. En 1943, elle fait l'objet de bombardements alliés ; mais contrairement à la gare voisine de Bécon-les-Bruyères, les destructions sont peu importantes, la tranchée demeurant peu endommagée et le bâtiment voyageurs n'étant pas touché.
L'électrification par troisième rail s'étend jusqu'à Argenteuil suite aux travaux de quadruplement du tronçon : le nouveau service électrique est ouvert au public le 6 janvier 1936, avec un train direct Paris - Bois-Colombes à la demi-heure poursuivant jusqu'à Argenteuil, et un train omnibus de Paris à Bois-Colombes, en alternance. La fréquence est renforcée au service d'été suivant avec un train toutes les dix minutes vers Argenteuil aux heures creuses.
En 1953, ce sont pas moins de six-cent-cinquante trains quotidiens qui passent par la gare. Le 27 mars 1967, la ligne est réélectrifiée en courant alternatif 25 kV par caténaire jusqu'à Argenteuil lors de la mise sous tension connexe des voies du groupe VI jusqu'à Mantes-la-Jolie ; toutefois, l'exploitation du groupe IV jusqu'à Bois-Colombes se poursuit avec du matériel sous troisième rail 750 V jusqu'en 1975. L'exploitation de Bois-Colombes à Argenteuil et au-delà vers Mantes est assurée à l'aide de matériel moderne, mais le rail de contact, non alimenté, reste en place de Bois-Colombes à Argenteuil jusqu'à l'automne 1975 où sa dépose est réalisée.