C'est en 1835-1838 que la question d'un chemin de fer a été soulevée au Conseil Municipal de Saint-Pellerin.

La ligne de Paris à Chartres a été mise en service en 1849 et son prolongement jusqu'à Brou a été inaugurée le 7 mai 1876. Le 10 juillet 1870, en réunion de Conseil, la municipalité était d'avis que la ligne passe par Arrou et Courtalain.
Une enquête a été menée pour savoir si l'arrêt se ferait à mi-chemin entre les deux, l'idée de faire deux gares a ensuite été étudiée et l'emplacement de celle de Courtalain a été situé à la Blardière. Le Conseil a approuvé ce projet le 7 novembre 1875.
Le viaduc de Courtalain était pratiquement terminé en 1880.
Le Conseil demandait le 8 mai 1881 que la gare porte d'abord le nom de la commune sur laquelle elle était entièrement construite, Saint-Pellerin, et ensuite seulement celui de Courtalain. Ce vœu n'a pas été entendu par les autorités malgré les demandes renouvelées et motivées du Conseil.
La gare était de troisième classe, comme celle d'Arrou. Elle comportait : un bâtiment de voyageurs, un abri, une halle à marchandises, des quais à voyageurs, des cabinets d'aisance, lampisterie. Et un puits. On y ajoute les bâtiments et annexes pour l'alimentation en eau des machines.
La ligne a été inaugurée par le Ministre et le Préfet le 1er avril 1883. Le Maire et le Conseil Municipal de Saint-Pellerin sont venus accueillir les autorités. Le train continuait alors vers Châteaudun par Langey. Une ligne a ensuite été construite vers Sargé-sur-Braye, au printemps 85, et jusqu'à Bordeaux en été 86. La ligne Courtalain-Nogent-le-Rotrou était mise en service au printemps 1887.
Au début de 1888, en raison de l'importance du trafic, un agrandissement s'imposait. Les travaux ont comporté le réaménagement du tracé des voies, modification et extension du bâtiment des voyageurs, augmentation de la halle aux marchandises, construction d'une remise à voiture où s'effectuera le petit entretien simultané de six wagons, construction d'un corps de garde, d'une lampisterie, d'une bouillotterie, de deux abris d'entrevoies, d'une remise pour huit machines, d'une maison pour le chef de réserves et d'un quai à combustible. L'intensité du trafic nécessite également un second réservoir de 150 mètres cubes destiné au remplissage des machines, le premier étant vidé quotidiennement, car tous les grands trains s'arrêtaient ici pour que les locomotives y fassent le plein d'eau et de charbon.
Le 10 février 1889, Courtalain demande l'annexion de la gare et de ses dépendances avec partie du territoire du coté nord de la voie ferrée. Le Conseil de Saint-Pellerin rejette cette demande au cours de deux réunions dont celle du 23 août 1889.
L'activité de la gare est allée croissant jusqu'à la guerre de 1914, une gare pour les marchandises est aménagée en 1910. le passage à niveaux de la route Saint-Pellerin-Droué a été remplacé en 1917 par un pont à tablier métallique, lui-même remplacé en 1969 par un pont en béton.
En 1938, c'est la fermeture de la ligne Courtalain-Saint-Pellerin à Conneré. En 1943, la ligne de Courtalain à Châteaudun est démontée sur ordre des autorités allemandes. Si en 1914 la gare de Courtalain-Saint-Pellerin recevait environ 80 trains, en 1971, il ne passait plus que six trains dans chaque sens par jour.
Le T.G.V. Atlantique a été décidé le 22 septembre 1981 et les travaux étaient mis en chantier en 1985. La gare devient alors un centre important pour la construction des nouvelles lignes. Plus de 200 cheminots sont installés dans des bâtiments provisoires construits à la Diane.
La gare qui avait servi d'entrepôt et de centre technique pour la construction du T.G.V. avait été entièrement modifiée à cet effet. Des bâtiments, les quais et les anciennes voies avaient été démolis pour les besoins du chantier. Après enlèvement des installations provisoires, la gare n'a plus grand-chose à voir avec celle du début du siècle que l'on pouvait encore admirer en passant sur le pont de la route de Droué, dans les années 1960.