21 июля 1857 г. вступила в строй Петербурго-Петергофская железная дорога, конечной станцией которой был Новый Петергоф. В 1862 г. началось строительство железной дороги от Нового Петергофа до Ораниенбаума.
7 июня 1864 года открылось регулярное движение поездов на этом участке с промежуточной станцией, именно тогда названной - Старый Петергоф.
Еще накануне этого дня газета «Русский инвалид» опубликовала «для сведения широкой публики» первое в истории расписание поездов на этой линии.

«...Эта дорога, — составляет продолжение Петергофской линии с тою только разницей, что проходит по местности более живописной, чем первая...
кроме значения увеселительного и предоставления больших удобств жителям Петербурга и Кронштадта...
...новая дорога значительно облегчает перевозку грузов из Кронштадта в Петербург...
"Русский инвалид" от 21 июля 1864 года.

Вплоть до 1900 года на дороге от Петербурга до Ораниенбаума было пять станций: Лигово, Сергиево, Стрельна, Новый и Старый Петергоф. Поезда между Петербургом и Ораниенбаумом ходили всего пять раз в сутки.
К началу эксплуатации Петербурго-Петергофская железная дорога имела 8 паровозов, из них 3 типа 1-1-1 и 5 типа 2-2-0. Два паровоза типа 1-1-1 были построены Лейхтенбергским заводом в 1856 г. и имели названия "Петербург" и "Петергоф", третий паровоз, изготовленный в 1857 г. заводом Шарп - Стюарт, назывался "Стрельня".
Основная масса дачников жила между Старым Петергофом и Ораниенбаумом, в поселках Лейхтенбергский, Мордвиново, Мартышкино и Ольгино.
На коротком расстоянии от Старого Петергофа до Ораниенбаума — около 6 верст — было четыре платформы.
Поезд с полным составом не мог останавливаться на каждой версте. Правление железной дороги нашло хороший выход. Публика, которой нужно было в эти поселки, высаживалась в Старом Петергофе, поезд уходил в Ораниенбаум, и сразу после его ухода подавалась «кукушка» — маленький паровозик с большим двухэтажным вагоном. Эта «кукушка» и развозила дачников, останавливаясь у каждой платформы. «Кукушка» была сезонным мероприятием, правление железной дороги считало ее нештатной единицей, билеты продавали студенты, которые желали летом подработать, живя на даче, они одновременно служили. На паровозике — машинист и кочегар, тоже нештатные. Допускались вольности: между полуостановками помашет кто-нибудь зонтиком или платочком, машинист остановит. Машинист забавлял публику тем, что сделал большой мочальный кнут. Получая отправление, он высовывался из будки, хлестал кнутом по котлу паровозика и кричал: «Но-о, поехали!» — и свистел «ку-ку!».
«…Существует между главными станциями и полустанками сообщение на паровозо-вагонах, прозванных «кукушками». Так, между нашей станцией и Ораниенбаумом ходят такие паровозо-вагоны. Если я имею разовый билет от Петербурга до Ораниенбаума, то я вместо конечной цели поездки, буде мне надо, могу воспользоваться паровозо-вагоном для того, что-бы доехать без особой приплаты до любого из полустанков…»
Газета «Котлин».
2 июня 1896 года

" Путеводитель по дачным окрестностям _S.Peterburga 1905 год

С правой стороны вокзала (Петербургское направление) имеются залы ожидания I и II классов, в этом же зале помещен буфет с продажею крепких напитков, в середине — подъезд и две боковых лестницы, ведущих на верхнюю площадку, с которой перекинут на другую платформу мостик для перехода публики; внизу же помещаются кассы, багажная и билетная, и контора начальника станции, в левой стороне вокзала — зал ожидания III класса, тоже с винным буфетом; из этого зала вход на платформу мимо террасы, на которой в летнее время публика I и II класса ожидает прибытия поезда.
Во время войны, в 1942 году станция была полностью уничтожена.
«По свидетельству очевидцев, 10 июля 1942 года со стороны Нового Петергофа около 16 часов к вокзалу Старого Петергофа приближался немецкий эшелон с боеприпасами, по которому два наших орудия открыли огонь, когда тот был уже около станции. Несколько снарядов попали в здание вокзала, а после попадания в эшелон, в нём взорвались боеприпасы, при этом помимо прямых разрушений возник большой пожар, продолжавшийся несколько часов и навсегда уничтоживший ещё один архитектурный памятник Петергофа..."
(из книги В.А. Гущина "История Петергофа и его жителей. Старый Петергоф").
После войны на восстановленной платформе было построено деревянное здание вокзала, которое сгорело осенью 1997 года. Сгоревшую постройку разобрали, а взамен появилось временное здание касс из силикатного кирпича. 

В 2009 году построили новое станционное здание под электронную пропускную систему, огородив платформы решётками, а в начале 2017 года надстроили мансардный этаж, а над ризалитом создали фронтон. На фасадах появилась декор под готику, в стиле здания вокзала Новый Петергоф, козырьки над входами и над кассами.