Päätöksen rautatien rakentamisesta Helsingistä Hämeenlinnaan siunasi keisari Aleksanteri II vuonna 1857. Rakentaminen alkoi vuoden kuluttua ja junaliikenne 1862 - aluksi kolmesti viikossa kumpaankin suuntaan. Pian vuorot tihentyivät ja alettiin myös rakentaa yhteyttä Riihimäeltä Viipurin kautta Pietariin. Vuonna 1873 Oulunkylä sai rautatiepysäkin, joka korotettiin asemaksi 1881. Oman aseman myötä syntyi Oulunkylään Helsingin ympäristön ensimmäinen huvilayhdyskunta.

Ensimmäinen asemarakennus radan itäpuolelle tuli vasta 1907. Se muodostui posteineen ja kahviloineen pian lähiseudun keskukseksi Pakinkylää myöten. Radan ylittänyt puusilta oli paikkakunnan maamerkki. Varsinkin nuoriso viihtyi sen liepeillä. VPK:n historiikissa mainitaan tulipalosta asemalla Café de Ruckelsissa 1912 ja Café Nilssonissa seuraavana vuonna. Asema siirrettiin radan länsipuolelle 1915. Kun se paloi, rakennettiin 1919 nykyinen, entistä ehompi asemarakennus. 

Liityntäliikenne busseilla aloitettiin jo 1920-luvulla. Asemanpidon loputtua 1983 tilat ovat olleet vuokrattuina kaupungin ja eri yritysten toimitiloiksi. Asema on julkisessa myynnissä vuonna 2008 Senaatti-kiinteistöjen toimesta.

Aluksi pääradan kaikki junat olivat kaukojunia, joilla lähiliikenteen hoitaminen oli hankalaa. Ensimmäiset paikallisjunaveturit hankittiin Sveitsistä, niillä liikennöiminen aloitettiin kesäkaudella 1886. Kolmas raide pelkästään lähijunien käyttöön valmistui 1972 ja neljäs 1996. Nykyään Oulunkylän asemalta ajetaan arkisin n. 290 lähijunavuoroa vuorokaudessa.
 
Vuodenvaihteessa 1962–63 ajettiin Herttoniemen satamaradalla HKL:n lakonuhan vuoksi 11 päivän ajan henkilöliikennettä Oulunkylän kautta VR:n kalustolla. Nyt poikittaisliikenteen pikaraitiovaunu Jokerin linja risteää pääradan kanssa Ogelin asemalla, joskin sitä liikennöidään toistaiseksi busseilla.