清朝宣统三年（1911年），樟木头火车站随着广九铁路（华段）的建成与启用，成为了当时重要的交通节点。作为广九铁路的大站之一，它在东莞扮演了旅客和货物的重要中转角色。
中华人民共和国成立后，樟木头火车站进一步发展，增设了两条专用线路：一条是连接樟木头站与白果洞采石场的线路，另一条则是军用线路。到1985年，樟木头站的年度客运量达到了41万人次，货运量更是达到了惊人的60多万吨，显示出其繁忙的运输能力。
1988年，樟木头火车站又增添了货场线，进一步提升了运输效率。1995年，火车站迎来扩建，新的客运大楼在1996年9月正式启用，为旅客提供了更为宽敞舒适的环境。2008年10月18日，站前广场进行大规模改造，经过一年的努力，2009年1月1日，焕然一新的站前广场投入了使用。
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