Entre 1845 et 1852, la ligne de chemin de fer reliant Paris à Strasbourg est réalisée, avec un arrêt à Chelles. Dès 1849, une première "station" en bois y est installée. En 1857, la première gare est construite du côté sud de la voie ferrée (avenue du Maréchal de Lattre de Tassigny aujourd'hui). Le bâtiment comporte un bel escalier inséré dans une rotonde, et est complété par une gare de marchandises. Du côté nord, en direction du centre-ville, une rampe dessert les arrivées de Paris sur la place dénommée en 1884 place Gasnier-Guy. Elle prend le nom de « Chelles - Gournay » en 1885.

En 1931, on bâtit une nouvelle gare en meulière sur quatre niveaux, surmontée de deux étages pour les logements. Cette fois, elle est placée au nord de la ligne de chemin de fer. On y trouve plusieurs commerces tels qu'un bar, un marchand de journaux ou un fleuriste. Quatre voies traversent alors la ville de Chelles. 

En mai 1975, un permis de démolir et de construire est délivré. En effet, un nouveau bâtiment remplace celui en meulière, réservé exclusivement à l'usage des voyageurs. 

En 1999, la gare devient le terminus de la branche E2 de la ligne Eole (Est-Ouest Ligne Express) du RER, tout en étant toujours desservie par les trains de la ligne Paris Est-Meaux.

Entre 2006 et 2009, la gare subit une importante restructuration à l'occasion de la mise en service du TGV Est Paris-Strasbourg. Les voies ferrées ainsi que le pont sont transformés pour intégrer les deux voies supplémentaires pour le passage du TGV. Le bâtiment voyageurs est, quant à lui, totalement reconstruit. Les pôles ouest et est sont reliés par la galerie des transports qui permet aux voyageurs de circuler à l'abri des intempéries.