原邵阳市双清区的老火车站始建于上世纪60年代末，是一个尽头式车站，候车室面积仅有500平米，当时只开通邵阳至长沙的列车。自1994年邵阳开通广州旅客列车后，每逢春运、节假日，车站广场人山人海，车站候车能力严重不足，多年来，邵阳市委、市政府高度重视，呼吁尽快建设洛湛通道邵阳至永州段，经过铁四院勘探、设计、方案对比，最终邵阳市人民政府与原铁道部确定邵阳火车站新址，也就是现在的邵阳火车站，建设规模11000平米。
2000年，洛湛通道邵阳至永州段开工建设，2003年年底开通货物列车，2004年1月1日邵阳火车站开通旅客列车，2006年邵阳至永州开通旅客列车。
2009年，邵阳至娄底娄邵新线改造开工建设，沪昆高铁在湖南走向确定后，邵阳人民要求修改高铁的愿望高涨，邵阳市人民政府积极向国家发改委、铁道部、省人民政府呼吁娄邵新线改造开行高铁，2015年12月30日，娄邵新线开通，同时开启邵阳进入高铁时代。
目前邵阳火车站面积为11000平米，有四个候车室，每个候车室面积640平方米。随着2018年怀邵衡铁路正式开通后，火车站日发送旅客由开通前的6000多人提高到了11000多人，节假日单日发送旅客最高的时候达到24000多人。
邵阳拥有840万人口，在外经商、求学、务工的人员较多，铁路交通的不完善一度制约了我市经济社会的发展，随着全国高速铁路的快速发展，百姓热切期盼拥有更加便捷、快捷的出行方式。市委市政府高度重视，经过长期、积极的向铁路部门争取，娄邵铁路的改造提速，怀邵衡铁路的建成通车，为我市争取到了很多发往各地的列车。目前，我市是全国三四线城市中为数不多的开通了始发、直达北上广深高铁列车的城市，再加上未来呼南高铁邵永线的规划，为实现我市“二中心一枢纽”战略，成为我省主要的枢纽城市，打下了坚实的基础。根据铁路路网的规划布局，早在怀邵衡铁路建设时，市委市政府就考虑到，现在邵阳火车站的面积和设备设施无法满足旅客出行的需要，在这个基础上，2016年初，市委市政府提出了对邵阳站进行扩建的计划。
在项目设计之初，按铁路部门的意见是将邵阳火车站停运后，在改建完成后再启用，因为在运行的同时施工，对于施工的要求很高，邵阳火车站既有高铁动车，也有普铁货运，特别是在高铁动车的线路上施工，对安全防护的要求很严格。倒一个挡板，掉一块瓷砖，那都有可能造成整条怀邵衡线的停运，特别是根据我们的设计要求，邵阳火车站是要建成和长沙南站一样“上进下出”的线侧式+高架候车的站房，在运行铁路线的上方要修建高架候车厅，在铁路线的下方要新建一条13.2米宽的出站通道。因此，既要确保百姓能正常出行，又要确保建设时不发生任何安全风险，对安全建设的要求提出了很高的要求，责任十分重大。
也正是因为这个情况，从方案设计到施工方案的审核，都经过了很多轮的专家论证、审核、修改和完善。龚书记、刘市长以及发改委、铁路指挥部的同志多次到中国国家铁路总公司、广铁集团争取支持，到武汉铁四院与设计专家讨论方案，最终在2018年11月7日，经中国国家铁路总公司、湖南省人民政府联合审批，邵阳火车站改扩建设计方案正式获批。
由于邵阳站的改扩建是在运营的铁路线上施工，施工难度大，技术要求高，是全国第一个实行“小倒场”施工的车站。经过对施工方案反复进行论证、修改、完善，邵阳站站房扩改工程施工方案于2019年12月正式获得中国国家铁路总公司审批。
在2019年春运结束以及疫情得到基本控制后，邵阳站站房扩改工程于2020年6月1日举办了开工仪式，启动临时过渡工程建设。现临时候车室、临时进站廊道及相关配套设备设施建设、火车站搬迁等工作已基本完成，2020年11月12日将正式启用临时候车室，并进行第一阶段施工。
邵阳历史悠久，名传潇湘，新车站的改造方案以“古城新韵，门户枢纽”为创意，挖掘邵阳深厚的历史文化特征和地域特色元素，结合现代化的交通建筑语汇，打造“古而新”的中国风建筑，建筑整体形象如邵阳的“城墙门楼”意向，“门楼”由一段式坡屋面勾勒，并用四个层层叠叠的屋檐单元作为构图要素，每个单元用现代化的几何水平线条演绎，传达出传统韵味。“城墙”则通过基座来诠释，站房站房整体形象构成城市大门的隐喻，象征邵阳的门户枢纽形象，彰显城市迎接八方来客的美好愿景。未来的邵阳站，是邵阳交通枢纽的中心，是邵阳的城市门片，是邵阳城市文化的延续，是邵阳的城市地标。
新站房为线侧式+高架站房，采用高架候车进站、地下通道出站的 “上进下出”方式。站房改造总投资8.0578亿元，总建筑规模4.3万平米，其中新建面积 3.2万平米。新建13.2米旅客出站地道一座，既有旅客出站地道延长改为将来连通南北广场的社会通道，站内共设垂直电梯16部，自动扶梯39部。新增停车场面积1.4万平方米，小汽车停车位408个。
邵阳站站房扩改，能够将洛湛线、怀邵衡线、未来的呼南通道邵永线、城际铁路线等融而为一，让邵阳市从普铁时代真正跨入高铁时代的一个重要标志，是我市实现“二中心一枢纽”的战略核心。邵阳站的扩改只是第一步，下一步我们还将和呼南通道邵永线同步建设南站房、南广场、公交车和出租车停车系统、智能化的地下停车场、长途客运站，让老百姓在邵阳站下车之后可以实现零距离换乘，以邵阳站为中心站，将旅客送往各地，让交通更加立体化。市委、市政府有决心也有能力将邵阳建设成为全国的枢纽城市。