In 1881 neemt de Nederlandsche Rhijnspoorweg-Maatschappij aan de spoorlijn tussen Utrecht en Rotterdam het station van Vleuten in gebruik. Vleuten krijgt hierbij een eenvoudig rechthoekig stationsgebouw met de gebruikelijke lokalen voor de stationsdienst en een woonruimte aan de zuidzijde van de spoorlijn. In 1922 is aan de andere zijde van het spoor een geheel nieuw stationsgebouw in gebruik genomen. Het nieuwe gebouw is ontworpen in de moderne stijl en krijgt een opvallende V-vormige plattegrond. Parallel aan de straat bevindt zich een lage vleugel met verhoogde toegang in een open portiek. Het voorportaal biedt toegang tot de kleine stationshal met decoratieve uitbouw. In het gedeelte van het gebouw dat parallel aan het spoor staat, bevinden zich verder de nodige dienstruimten als een kantoor voor de stationschef en een ingebouwd seinhuis. De vleugel langs het perron is bovendien voorzien van twee opvallende schoorstenen.
In 1945 raakt de vleugel aan de straatzijde tijdens een bombardement zodanig beschadigd dat deze is afgebroken. Het resterende deel van het gebouw is hierna opnieuw ingedeeld en krijgt hierbij onder andere een nieuw voorportaal met luifel dat toegang biedt tot de nieuwe stationshal. In 1960 is het eerste stationsgebouw aan de zuidzijde van het spoor alsnog gesloopt.
In 2004 starten de werkzaamheden aan de spoorverdubbeling tussen Utrecht en Woerden. Het viersporige tracé ligt tussen Utrecht en Vleuten op een spoordijk die grotendeels ten zuiden van de oude spoorlijn is aangelegd. Eind 2007 zijn de eerste twee nieuwe sporen in gebruik genomen. Tegelijkertijd openen de nieuwe haltes Utrecht Terwijde en Vleuten. Beide haltes zijn uiteraard slechts gedeeltelijk gereed en voorzien van een noodperron aan de noordzijde. Na het opbreken van de oude spoorlijn zijn de twee resterende sporen aangelegd en de haltes afgebouwd. In juni 2010 is de spoorverdubbeling tussen Utrecht Leidsche Rijn en Woerden gereed. Vleuten is net als de meeste andere haltes in de regio Utrecht voorzien van een variant op het standaardontwerp in het kader van het Randstadspoor. De haltes zijn herkenbaar aan het vele glas, de houten afwerking van de overkapping en de stationsnaam die boven het dak is gemonteerd. Het oude stationsgebouw dat zich zo’n 400 meter ten oosten van de ingang van de nieuwe halte bevindt, is onder andere in gebruik als bloemenwinkel.
Op de foto boven dit artikel het derde stationsgebouw van Vleuten op 2 mei 2015.