La estación fue inaugurada en 1861 como parte del ramal del ferrocarril de Valparaíso a Santiago, que se encontraba en ese entonces en construcción.A partir de 1898 obtuvo mayor relevancia al transformarse en la estación terminal del Longitudinal Norte, donde sirvió de intercambiador entre la sección del ferrocarril del norte del país con el ferrocarril entre Santiago y Valparaíso, que poseía a su vez conexión con el longitudinal Sur.Esta posición como punto de conexión entre estas dos redes de ferrocarriles llevó a La Calera a ser considerada una de las estaciones ferroviarias más importantes del país durante el siglo XX.Debido al declive en el transporte de carga y pasajeros a finales del siglo XX,la estación fue cerrada para servicios de pasajeros en 1995.
En 2014 la estación fue declarada Monumento Histórico Nacional. Desde el inicio de las operaciones del actual Tren Limache-Puerto (antes Metro Valparaíso) ha existido presión social para la extensión del servicio hasta La Calera. En 2019 se anunció el inicio de los estudios de ingeniería básica del proyecto para la extensión del servicio hasta esta estación, dentro del plan nacional «Chile sobre Rieles». Se ha proyectado que la reapertura de la estación para servicio de pasajeros Tren Limache-Puerto ocurra entre 2027 y 2028.
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