Het station van Groenendaal werd in 1994 bij Ministerieel Besluit beschermd als monument, als een goed bewaard voorbeeld van een spoorwegstation met schuilplaats in typische 'nationale' stationsstijl. 
De plannen van het stationsgebouw werden in 1893 opgesteld door E.J. Roberts, architect in dienst bij de toenmalige Belgische spoorweg en verbonden aan de 'groupe de Namur'. Het stationsgebouw werd voor het reizigersverkeer geopend op 6 februari 1896. Ook het schuilhuisje langs het perron naar Brussel zijn van de hand van E.J. Roberts. Deze plannen dateren van 1896. 

Ondanks het feit dat het station van Groenendaal een relatief klein station was, werd het gebouw toch luxueus uitgevoerd en afgewerkt. De locatie – middenin het Zoniënwoud – trok de aandacht van de Brusselse burgerij, maar ook Leopold II zou hier in een rol gespeeld hebben. Hij zou naar verluidt rechtstreeks betrokken geweest zijn bij het ontwerp. Op amper 1 kilometer van het station werd in 1889 de paardenrenbaan ingewijd, waar Leopold II ook regelmatig op bezoek kwam. De lijn Brussel-Namen kreeg trouwens ter hoogte van het station van Groenendaal een speciale aftakking richting renbaan. 

Begin 1992 werd het middelste gedeelte van het station door een brand zwaar beschadigd. De laatste jaren liet de NMBS opnieuw een aantal herstellings- en restauratiewerken uitvoeren. In het kader van de werken voor de uitbreiding van het Gewestelijk Expresnet (GEN) werden in 2006 opnieuw grote werken uitgevoerd. Zo werd het beschermde wachthuisje enkele tientallen meters verplaatst om ruimte te maken voor een derde spoorlijn en een nieuw perron. Er zijn ook plannen om het stationsgebouw te restaureren en een nieuwe bestemming te geven.