Stacja kolejowa powstała w 1894 roku na potrzeby carskiej rezydencji myśliwskiej Aleksandra III. Car przybywał tu głównie na polowania w Puszczy Białowieskiej, a kolej stanowiła wygodny i reprezentacyjny środek transportu dla dworu oraz zaproszonych gości. Początkowo stacja obsługiwała również ruch towarowy, jednak po uruchomieniu nieco później stacji Białowieża Towarowa, przy pałacu zatrzymywały się już wyłącznie pociągi pasażerskie.
W okresie międzywojennym zarówno stacja, jak i dawna carska rezydencja, były wykorzystywane przez prezydenta RP Ignacego Mościckiego, który – podobnie jak car – zapraszał tu swoich gości, często na wspólne polowania. Białowieża pozostawała wówczas ważnym miejscem spotkań elit politycznych i naukowych.
Oryginalna, drewniana i stylowa stacyjka została zniszczona w czasie II wojny światowej. Po wojnie wzniesiono w jej miejscu nowy budynek stacyjny, utrzymany w typowym dla okresu PRL-u, uproszczonym stylu architektonicznym. Linia kolejowa do Hajnówki funkcjonowała do 1993 roku, po czym – z powodu nieopłacalności przewozów – została zamknięta. Nieużytkowany powojenny budynek stopniowo popadał w ruinę, a zaniedbany teren przez lata odstraszał odwiedzających miejscowość turystów.
Przełom nastąpił w latach 2014–2015, kiedy przystąpiono do rekonstrukcji dawnej carskiej stacji oraz rewitalizacji peronu. Odbudowany obiekt nie jest wierną kopią XIX-wiecznej budowli, jednak wyraźnie nawiązuje do jej historycznego wyglądu. Ze względu na ograniczoną przestrzeń nie było możliwe pełne odtworzenie pierwotnej formy, dlatego bryła została nieco uproszczona. Zmieniono także jego orientację – obecnie budynek stoi tyłem do parku pałacowego, podczas gdy pierwotnie znajdował się po drugiej stronie torów i był zwrócony frontem w stronę parku.
Na dawnym peronie powstał dziś Park Wiedzy i Zabawy, ścieżka dydaktyczna, Aleja Gwiazd Puszczy Białowieskiej oraz ogród angielski. Całość pełni funkcję edukacyjno-rekreacyjną i stanowi atrakcyjne uzupełnienie oferty turystycznej Białowieży, łącząc historię miejsca z nowoczesną formą zwiedzania. Wstęp na teren dawnej stacji jest obecnie odpłatny.
