Mitte der 1850er Jahre plante und baute die Königlich Würtembergische Staatsbahn die Obere Neckarbahn von Plochingen nach Tübingen. Für den Bau eines Bahnhofs in Bempflingen setzte sich die Geschäftsleitung der Firma Elmer&Zweifel ein, die hier seit 1855 eine Baumwollspinnerei betrieben. Sie verfassten im Namen der Gemeinde Bempflingen und den umliegenden Gemeinden eine Bittschrift an die Verantwortlichen in Stuttgart und warben für den Ort. In dem Schreiben heißt es unter anderem: 

"Zuffenhausen, Eislingen und andere kleine Ortschaften haben auch Haltestationen, die schwerlich die Wichtigkeit haben, wie eine solche in Bempflingen erlangen würde."

Bempflingen, damals etwas über 700 Einwohner zählend, erhielt schließlich eine Station, etwa einen halben Kilometer östlich des Dorfs. Der zu errichtende Bahndamm unterbrach die Landstraße nach Großbettlingen.

Der Bahnhof erhielt ein zweistöckiges Empfangsgebäude aus Sandstein, das heute noch erhalten ist. Das Gebäude ist mit einem Satteldach gedeckt. Die Außenfasse des Dachstocks ist mit Holzlatten verkleidet. Fenster und Türen im Erdgeschoss sind mit Rundbögen versehen. Die B ahnanlage besaß ein Bahnsteig- und ein Kreuzungsgleis.

Am 20. September 1859 eröffnete die Staatsbahn den ersten Streckenabschnitt zwischen Plochingen und Reutlingen. An jenem Tag nahm auch die erste Poststelle in Bempflingen den Dienst auf. Sie befand sich im Erdgeschoss des Empfangsgebäudes. Für die unterbrochene Landstraße nach Großbettlingen muss ein Durchlass errichtet werden.

Durch die Baumwollspinnerei und die Eisenbahn erlebte die kleine Gemeinde einen Strukturwandel. Im Jahr 1895 waren von 792 Einwohnern noch 45 Prozent als Landwirte tätig.

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts erweiterte die Staatsbahn das Empfangsgebäude um einen einstöckigen Anbau nach Süden. Seit 1. Oktober 1901 ist die Bahnstrecke zwischen Neckartailfingen und Metzingen zweigleisig befahrbar. Der Bahnhof erhielt ein weiteres Gleis als Überholgleis. 1909 verließ die Post das Empfangsgebäude.

Seit Mitte der 1920er Jahre konkurrierte der Omnibus mit der Eisenbahn, mit zwei in Bempflingen endenden Verbindungen. Die Kraftpost eröffnete 1926 eine Linie von Nürtingen. 1927 nahm ein privater Unternehmer eine Linie von Metzingen in Betrieb.

Am 1. Oktober 1934 nahm die Deutsche Reichsbahn den elektrischen Betrieb zwischen Plochingen und Tübingen auf.

In unmittelbarer Nähe des Bahnhofs kam es während des Zweitens Weltkriegs zu Luftangriffen. Einer ereignete sich am 9. Dezember 1944. Bereits am Morgen hatten alliierte Jagdbomber das Dorf angegriffen. Zur Mittagszeit erfolgte ein weiterer Tieffliegerangriff auf einen Eilzug, der von Tübingen nach Stuttgart unterwegs war. Der Angriff forderte drei Menschenleben. Am 25. März 1945 kam es zu einem Tieffliegerangriff auf einen Eilzug Richtung Tübingen. Diesmal waren sechs Tote und mehrere Verletzte zu beklagen.

Nach dem Krieg teilten die Siegermächte Würtemberg in zwei Besatzungszonen ein. Südlich von Bempflingen verlief die Grenze zwischen der amerikanischen und der französischen Zone. Der Bahnhof erhielt eine neue Funktion als Grenzbahnhof. In den Kursbüchern dieser zeit, vermerkten die Herausgeber einen Aufenthalt von fünf Minuten für Züge in Fahrtrichtung Plochingen. In Wirklichkeit reichte dies nicht aus. Die Kontrollen nahmen teilweise bis zu 25 Minuten Zeit in Anspruch. Die Reichsbahndirektion Stuttgart beklagte sich über diese Fahrzeitverlängerungen bei den beiden Militärregierungen. Doch erst 1948 reduzierte sich der Aufenthalt der Züge auf zwei Minuten.

Am 1. August 1988 gab die Deutsche Bundesbahn den Güterverkehr in Bempflingen auf. Den nicht mehr benötigten Güterschuppen erwarb die Gemeinde zwischen 1989 und 1992. Seit 1. Februar 1993 ist der Bahnhof unbesetzt. Die Bahn baute alle Nebengleise und Weichen ab und stufte somit den Bahnhof zu einem Haltepunkt zurück. Direkte Verbindungen nach Stuttgart gibt es heute (2011) nur noch einmal täglich.