I 1863 åbnede en sidebane til jernbanen fra København til Helsingør, som dengang gik via Hillerød.
Fra Hellerup blev der lagt en jernbane til Klampenborg, som foreløbigt blev den endestation. Først i 1897 blev banen fortsat langs Øresundskysen til Helsingør.
Klampenborgbanen var først og fremmest anlagt som en udflugtsbane for de mange københavnere, der tog til f.eks. Charlottenlund, Dyrehavsbakken og attraktionerne langs Strandvejen.
Den nuværende Klampenborg Station er opført i 1897 og blev tegnet af statsbanernes arkitekt Heinrich Wenck (1851-1936).
Den store ventehal blev tegnet af H. Polte. Den er udført i støbejern, der blev konstrueret som færdige elementer i Tyskland.
Stationen blev fredet i 1992.