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.

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, et on y trouve plusieurs commerces tels qu'un bar, un marchand de journaux ou un fleuriste. Quatre voies traversent alors la ville de Chelles. Au milieu des années 1970, un nouveau bâtiment remplace la meulière, réservé exclusivement à l'usage des voyageurs. Entre 2002 et 2007, la gare est transformée pour permettre le passage du TGV Paris-Strasbourg.