2014年1月，《杭州至黄山铁路可行性研究报告》经过中华人民共和国发展和改革委员会批准，线路途经三阳站设越行站，主要为列车运行时调控、编组和维修使用。后经当地政府积极争取，最终将三阳站改为可以上下客的客运站。

2017年8月，三阳站特大桥站台合建连续梁浇筑完成，三阳桥全线合龙贯通。11月，三阳站站房开工建设。

2018年4月，三阳站完成主体封顶。8月5日，三阳站主体结构全面完工。9月，三阳站站房达到验收标准。11月，三阳站特大桥顺利通过静态验收。12月25日，伴随着杭黄高铁开通运营，三阳站投入使用。

2019年11月12日起，三阳站启动电子客票应用实施推广工作，“取票”这一环节将成为历史。

三阳站在站房的设计中引入徽文化元素。设计者摒弃传统青瓦材质，在保留徽派风格的同时，创造性使用“氟塑树脂瓦”，使得马头墙、屋脊等线条更加凸显。此外，设计者们在彰显三阳站鲜明的地方特色同时，也加入了环保节能的现代理念，将实体白墙改为双层夹胶玻璃幕墙，增强自然采光及空间通透性，减少照明用电。站房其他墙体采用多孔隔热砖，保温隔热效果明显，降低了站内空调系统的能量消耗。