1957年，广州铁路管理局根据中华人民共和国铁道部转发的广东省人民政府的委托书，决定由地方投资改建安游至黄流铁路。

1958年2月8日，铁道部转发李富春关于开发海南经济问题的电报，批示广州铁路局派员赴海南了解八所至三亚的铁路情况。

1960年11月1日，安游至黄流段108千米和黄流至岭头段18.3千米标准轨距铁路（后被称为安黄铁路）竣工，途经三亚站，安黄运输段成立，三亚站由其管辖。

1965年1月1日，安黄运输段撤销，三亚站改由海南运输段管辖。

1966年8月，因不便行车指挥和组织管理，海南运输段撤销，成立黄流中心站，三亚站改由黄流中心站管辖；年底，六乡至三亚港铁路建成通车，自此原安黄铁路客货运输终点改抵三亚，六乡至安游段停用，安黄铁路改称三黄铁路。

1978年6月，三亚站改由黄流车务段管辖。

1985年，三亚至八所全线开通，正式改称海南西环铁路，三亚站为起止站点。

1987年，三亚站升格为三等站。

1990年2月，黄流车务段搬迁到三亚站，改名为三亚车务段。同年，三亚车务段设立。

2005年10月，海南西环铁路提速改造工程动工，老三亚站停止营业。

2005年1月7日，粤海铁路开通，三亚站营运。

2007年4月18日，海南西环铁路开通运营，三亚站从市区天涯区胜利路搬迁至荔枝沟育新路，同时开办三亚至广州和上海、北京定期旅客列车；新三亚站开通时为中国境内最南端的客运火车站。

2010年11月30日，三亚站主体完工；同年12月31日，海南东环铁路开通后，新三亚站建成，坐落在原火车站的左侧，同时开通了海南海口至三亚间东环动车组客运业务办理。

2018年9月29日，三亚站前广场改造工程已基本完工；同年11月22日，三亚站实行电子客票。

2024年3月30日，三亚站站改正式启动，将于4月14日全部完成。此次的站改将新增1站台2道线，对于提高三亚站的客运能力，有效区分环岛高铁与公交化旅游化列车旅客乘降起到积极作用。

三亚站像一只展翅翱翔的巨大海鸥，充满动感，与三亚作为热带滨海旅游城市地域特色吻合。站房给人的第一印象是坡屋顶的优美曲线——“波浪”的形象被引入到屋顶设计之中。这具象化的设计并非标志化的简单复刻，三亚站独到之处在于建筑形体的具象标识与适应当地气候的技术逻辑紧密结合。由于三亚地处热带，纬度低，全年大部分时间太阳高度角较高，屋顶的轮廓线是根据太阳角度来确定的，屋枪的出携长度随着建筑立面高低而变化一入口处最大，曲线中点处最小，除了减少首层阳光直射，屋顶挑檐还能蔌竖向的玻璃幕墙,从而降低建筑内部的制冷负荷。

三亚站屋顶的3个制高点覆盖了主要的公共空间（进站大厅、出站大厅和售票大厅），所有大厅空间均为双层通高，从面使得热空气自然集中并上升至屋面制高点并通过可开启的电动排风天窗排出建筑，形成顺畅的循环。顶曲线的设计在很大程度上参考了三亚降水量的丰沛，其波峰波谷不仅呼应了三亚的临海自然特征,更成为水的自然流向收集器，使雨水自然地流向低处并且作为中水得以利用。此外，浅色的金属屋面板能够反射太阳光并减少热量的积累，同时整个金阔屋面的蓄热低，陶热性能好，从而减少热量传入建筑的内部。这一系列技术策略不仅化了形式的逻辑，也非常自然地促成了生态节能的使用效果。

截至2011年6月，三亚站站房总建筑面积为16200平方米，站台总面积为27800平方米，主站房面积为14991平方米，站台雨篷面积为47680平方米，三亚站站房面积东西长160米，南北宽48米，高27.2米。

截至2011年6月，三亚站一层为行包房、出站口、普通候车大厅、VIP候车厅、售票厅和管理区域，二层为后勤区域、普通候车大厅和VIP候车厅。

截至2011年6月，三亚站途经线路为海南东环铁路、海南西环铁路、粤海铁路；站台规模4台8线，其中正线2条，到发线6条。

截至2013年1月，三亚站设有18个窗口和10台自动售票机。

从2018年1月3日开始，三亚站设有自动售票机，除了可以发售本站出发的相关线路列车车票，还可以发售异地车票；使用港澳居民来往内地通行证和台湾居民来往大陆通行证购票的旅客，也可凭相应的证件原件在车站指定的自动售票机上购票，同时，在售票窗口还开通了支付宝支付业务。

三亚站各候车室内设立免费充电设施，提供手机充电服务；一等座候车区免费提供咖啡、奶茶、果汁等饮品、海南当地特产小食品、擦鞋机、设置“读书吧”书柜摆放党建时政、名著书籍及报刊杂志等；出站口设置更衣室，供冬季运输期间入岛旅客提供更衣空间；在三亚站的站台上增设部分候车座椅和垃圾桶。

2017年铁路春运，三亚站共发送旅客91.24万人次，日均发送旅客2.28万人次，总人数同比上年春运增长11.1万人次，增长13.9%，创历史新高。其中节前发送旅客29.78万人，节后发送旅客61.46万人。

2017年，三亚市铁路运送旅客512万人，运送货物37215万吨千米。

2018年从11月22日海南环岛高铁实行电子客票以来，至2018年12月22日18点，一月之内三亚站共计发送旅客481389人次，日均发送旅客1.6万人次，其中2018年12月22日发送旅客最多，达2.25万人次。到达旅客共计529116万人次，日均到达1.76万人次，其中2018年12月17日到达旅客最多，达2.04万人次。到达、发送旅客共计101万人次。

2019年元旦期间，三亚站共发送旅客8.8万人次，其中环岛高铁东段发送旅客6.18万人次，西段发送2.34万人次，普速线发送旅客2963人次。到达旅客8.3万人次，其中环岛高铁东段到达旅客6.3万人次，西段到达1.65万人次，普速线到达旅客3126人次。2018年12月30日到达客流最高，为23039人次，2019年1月1日发送客流最高，为26654人次。

截至2021年8月，三亚站旅客发送量已超过500万人次。

截至2018年11月，三亚站设置“爱心妈妈屋”（含孕妇休息室和哺乳室），配置便于休息的软沙发、便于放置物品的桌子，婴儿床、小毯子、枕头、冰箱、微波炉、饮水机或热水瓶、洗手台、一次性消毒湿巾、免洗消毒洗手液等服务用品，摆放孕产保健类和儿童类书籍，该区域必须保证私密性；开展“爱心服务卡”接送重点旅客服务，为老幼病残孕旅客亲属接送站提供便利。

截至2018年10月，途经三亚站的公交线路共有15条。

截至2018年7月，途经三亚站的轨道交通线路有三亚有轨电车示范线，线路设站三亚火车站。

截至2021年8月，根据《三亚市“十四五”综合交通运输发展规划》，伴随国民经济发展，预计2025年三亚站客运需求接近1000万人次，迫切需要启动北站房及北广场建设。

海南西环铁路通车运营后，还将开行三亚至京、沪、穗三趟旅客列车，人们出行更加便捷，中国各地的游客可乘座火车一路观光旅游、领略沿途风情。（南海网 评）