La première gare de Senlis est construite en 1861 pour la ligne Chantilly-Senlis décidée à partir de 1857 par la Compagnie des Chemins de fer du Nord et inaugurée en 1862. Les deux bâtiments, construits à la même époque, sont identiques et sont l’œuvre de l’ingénieur Lejeune.

Dès le début de la guerre, à l'été 1914, les troupes allemandes envahissent le nord de la France et menacent Paris. Ils font une entrée spectaculaire dans la ville de Senlis le 2 septembre 1914. Mais le verrou ne cède pas et les Allemands sont maintenus à une soixantaine de kilomètres de la capitale. En représailles de la virulence de l'opposition rencontrée, et notamment des tireurs français embusqués qui occasionnent d'importantes pertes côté allemand, la gare de Senlis est incendiée.

Après-guerre, Gustave Umbdenstock (1866-1940), architecte de la Compagnie des chemins de fer du Nord, est chargé de la direction du chantier de reconstruction de la gare. Il est associé à l’architecte Urbain Cassan (1890-1979). Ensemble, ils proposent de ne pas reconstruire la gare telle qu'elle était mais de construire un nouvel édifice dans un style néo-régionaliste.

L'Architecture usuelle consacre en 1923 un article élogieux sur "la gare artistique de Senlis" : "Ces formes simples seront peut-être incomprises de certains, cependant, elles sont fortes parce que raisonnées ; on ne parle pas à la foule avec de grands mots. La sobriété n'exclut pas l'élégance et la beauté d'un édifice réside avant tout dans la pureté et l'expression des lignes, dans l'équilibre des masses, dans le rapport harmonieux des vides et des pleins. Dans l'étude de cette construction, les architectes ont réalisé une composition qui se rapporte et s'accorde d'une façon parfaite au milieu local, au climat, aux coutumes, aux mœurs de la contrée pour laquelle elle est destinée. L'édifice convenablement coiffé, comme il sied en région forestière du nord de la France, nous fait songer à la curieuse façade située rue Cour-de-Gand, à Bruges, l'un des derniers spécimens de l'architecture en "charpenterie"."

Dès 1938, le service voyageur entre Chantilly et Senlis est arrêté, suivi en 1950 du trafic voyageur entre Senlis et Crépy-en-Valois. À partir de 1971, la ligne est complètement désaffectée. L'édifice sert alors de gare routière avant d'être racheté par la ville de Senlis en 2004. La gare s'inscrit alors au cœur du projet d'écoquartier de la Gare et intègre un pôle multi-modal. En 2007, l’ancienne gare accueille une maison de l’emploi.

L'édifice est inscrit Monument historique en 2001 (arrêté du 17 août 2001).