ทางรถไฟสายหนองคาย–ท่านาแล้งเป็นส่วนหนึ่งของโครงการทางรถไฟผ่านทวีปเอเชียขององค์การสหประชาชาติ ในปี พ.ศ. 2543 รัฐบาลไทยเล็งเห็นถึงความสำคัญของกิจการรถไฟ จึงสร้างรางรถไฟไว้บริเวณกลางสะพานมิตรภาพไทย–ลาว 1 จากนั้นได้ให้การรถไฟแห่งประเทศไทยก่อสร้างทางรถไฟจากกลางสะพานมิตรภาพเชื่อมต่อกับสถานีรถไฟหนองคายใหม่[2] เป็นระยะทาง 2.657 กิโลเมตร[5]

ทว่ารัฐบาลลาวประสบปัญหาเศรษฐกิจฟองสบู่แตกในปี พ.ศ. 2540 การก่อสร้างจึงหยุดชะงักไป ทางรัฐบาลไทยจึงให้ความช่วยเหลือโดยการให้การรถไฟแห่งประเทศไทยว่าจ้างบริษัทที่ปรึกษาสำรวจและออกแบบโครงการในปี พ.ศ. 2543 และสำเร็จในปี พ.ศ. 2544 โดยจะเป็นการสร้างเส้นทางรถไฟจากสะพานมิตรภาพไปยังบ้านดงโพสี เมืองหาดทรายฟอง นครหลวงเวียงจันทน์เป็นระยะทาง 3.5 กิโลเมตร[2][3][4] จากนั้นจึงลงนามในสัญญารับการช่วยเหลือจากรัฐบาลไทยในจำนวนวงเงิน 197 ล้านบาท ในจำนวนนี้ร้อยละ 30 เป็นเงินให้เปล่า ส่วนอีกร้อยละ 70 เป็นเงินกู้ยืมดอกเบี้ยต่ำ[2][3][4][6] เริ่มก่อสร้างเมื่อวันที่ 25 ตุลาคม พ.ศ. 2549[2] ระหว่างการก่อสร้าง รัฐบาลลาวต้องทำการบุกเบิกพื้นที่ป่า โยกย้ายสิ่งกีดขวางออกจากแนวทางรถไฟ รวมทั้งเวนคืนที่ดินราษฎรบ้านดงโพสีออกไปสามหลัง ใช้งบประมาณ 15 ล้านกีบ และและมอบข้าวสารจำนวน 8.41 ตัน ชดเชยแก่ราษฎรที่ถูกเวนคืนพื้นที่ทำนา และใช้งบประมาณชดเชย 24,390,800 กีบ[2]

หลังการก่อสร้างแล้วเสร็จในเดือนเมษายน พ.ศ. 2551[2] ได้มีการทดลองเดินรถครั้งแรกเมื่อวันที่ 4 กรกฎาคม พ.ศ. 2551[4] และได้มีพิธีเปิดเดินรถปฐมฤกษ์เมื่อวันที่ 5 มีนาคม พ.ศ. 2552 การนี้สมเด็จพระเทพรัตนราชสุดาฯ สยามบรมราชกุมารีเสด็จประทับรถไฟพระที่นั่งจากสถานีรถไฟอุดรธานีถึงหนองคาย เพื่อเป็นองค์ประธานในพิธีดังกล่าว จากนั้นพระองค์ประทับรถไฟพระที่นั่งจากสถานีรถไฟหนองคายไปยังสถานีรถไฟท่านาแล้งในประเทศลาว ตามคำกราบทูลบังคมทูลของบุนยัง วอละจิด รองประธานาธิบดีลาว แล้วจึงเสด็จกลับ[7]

ผลของการเดินรถเส้นทางใหม่ที่เบนเส้นทางไปหาสะพานมิตรภาพนี้ ส่งผลให้สถานีหนองคาย (เก่า) เปลี่ยนชื่อเป็นสถานีรถไฟตลาดหนองคาย เพื่อป้องกันการสับสนกับสถานีรถไฟหนองคาย (ใหม่) ภายหลังสถานีรถไฟตลาดหนองคายถูกยุบเป็นที่หยุดรถตลาดหนองคาย และยกเลิกการบริการเดินรถมายังที่หยุดตลาดหนองคายในปี พ.ศ. 2551 โดยการรถไฟแห่งประเทศไทยนำที่ดินของที่หยุดรถหนองคายจำนวน 30 ไร่ไปทำประโยชน์อื่นเพื่อสร้างรายได้[8]

23 มีนาคม พ.ศ. 2560 มีพิธีส่งมอบเปิดใช้ส่วนต่อขยายระยะที่หนึ่ง สำหรับสร้างเส้นทางรถไฟและสถานีกองเก็บตู้สินค้าของสถานีรถไฟท่านาแล้ง ก่อสร้างด้วยวงเงิน 655.23 ล้านบาท[9][10]