Construite à partir de 1838, la première gare de Clamart est une simple maison aux dimensions modestes. Rasée pendant la guerre de 1870, une deuxième gare est reconstruite en 1872, puis démolie en 1903. Les trains circulent de 8h05 à 23h05. Le prix du billet de Paris à Clamart est de 0,60 Francs en 1^ère classe, de 0,45 Francs en 2^nde classe et de 0,30 Francs pour l’aller-retour en tarif ouvrier.

La gare de marchandises est construite dans les années 1880. En 1900, elle acheminait 63 000 tonnes de marchandises et 17 000 colis postaux.

En raison de l’accroissement du nombre de voyageurs et du doublement des voies entre Clamart et Versailles, la troisième gare est construite en 1903. Le bâtiment, confié à l’architecte Alexandre Barret, est éclairé en façade par une verrière, surmontant une marquise de grande dimension, rappelant certaines gares parisiennes et notamment celle de la station Boulainvilliers, construite par le même architecte. En 1934, la ligne est électrifiée et le service des trains s’accélère : il y en a toutes les 10 minutes, et même toutes les 8 minutes aux heures d’affluence !

En décembre 1972, la gare est démolie et remplacée en 1973 par un bâtiment plus moderne et mieux adapté au trafic. Depuis 2016, le chantier de la gare Fort d’Issy - Vanves - Clamart est le premier du programme de construction des nouvelles gares du Grand Paris Express qui verra la construction de la gare du nouveau métro sous les voies du Transilien.

L’histoire de la gare de Clamart se confond avec l’histoire de la Ville et de son évolution démographique. Elle est le reflet du sens de l’accueil et de l’hospitalité des Clamartois. La ligne de train du grand Ouest permit tout d’abord l’arrivée des Bretons qui s’installèrent ici au XIX^e siècle. Plus tard, ce sont de nombreux intellectuels russes qui y trouveront refuge dans leur exil pour fuir la révolution russe.