อาคารแรกเริ่มเมื่อสร้างสถานีบางกอกน้อย ตั้งแต่สมัยรัชกาลที่ 5 เป็นอาคารคอนกรีตชั้นเดียวหลังคาทรงจั่ว มีหลังคาคลุมชานชลาสร้างด้วยไม้ทั้งหลัง ตั้งอยู่ด้านทิศใต้ริมทางรถไฟ(ทางประธาน) อยู่เลยลึกเข้ามาทางด้านทิศตะวันตกของริมแม่น้ำเจ้าพระยาประมาณ 300 เมตร ต่อมาเมื่อครั้งสงครามโลกครั้งที่ 2 กองทัพญี่ปุ่นได้ตั้งกองบัญชาการขึ้นที่สถานีรถไฟบางกอกน้อย จากนั้นไม่นาน ฝ่ายสัมพันธมิตรได้ส่งเครื่องบินเข้ามาทิ้งระเบิดสถานีรถไฟบางกอกน้อยอย่างหนัก ตัวอาคารสถานีรถไฟบางกอกน้อยได้รับความเสียหายบางส่วน แต่ที่ทำการรับส่งสินค้าที่ตั้งอยู่บริเวณริมแม่น้ำเจ้าพระยาและคลังเก็บสินค้าริมคลองบางกอกน้อยถูกทิ้งระเบิดเสียหายทั้งหมด ต่อมาได้มีการก่อสร้างสถานีรถไฟบางกอกน้อยขึ้นมาใหม่ โดยรื้ออาคารสถานีเดิมออกไปพร้อมกับปรับปรุงและขยายย่านสถานีเดิม โดยสร้างเป็นอาคารอิฐสีแดง มีหอนาฬิกา ซึ่งถือว่าเป็นอาคารที่มีความสวยงามมากที่สุดอีกแห่งหนึ่ง และตั้งชื่อสถานีนี้ใหม่ว่า สถานีธนบุรี และเปิดใช้งานอาคารหลังใหม่เมื่อปี พ.ศ. 2493

บทบาทของสถานีธนบุรีในฐานะต้นทางของรถไฟสายใต้เริ่มน้อยลง เมื่อรถไฟสายใต้หลายขบวนได้เปลี่ยนต้นทาง-ปลายทางไปที่สถานีกรุงเทพ (หัวลำโพง) ซึ่งต่อมาในระยะหลัง ขบวนรถที่ให้บริการ ณ สถานีธนบุรีจึงมีเพียงขบวนรถธรรมดาและและขบวนรถชานเมือง รวมถึงขบวนรถรวม ในเส้นทางสายใต้ (รวมถึงเส้นทางสายกาญจนบุรีและสุพรรณบุรี)

ในช่วงประมาณปี พ.ศ. 2542 รัฐบาลสมัยนายชวน หลีกภัย ได้มีโครงการปรับปรุงอาคารสถานีธนบุรีและพื้นที่โดยรอบ ทำให้ในช่วงระยะเวลาหนึ่ง การรถไฟได้สร้างสถานีรถไฟอีกแห่งหนึ่งขึ้นมาเพื่อใช้เป็นที่รับส่งผู้โดยสารทดแทนสถานีธนบุรี ตั้งชื่อว่าสถานีบางกอกน้อย (สถานีชั้น 4) (ชื่อเดียวกับสถานีรถไฟหลวงสายใต้ในอดีต) ห่างจากสถานีธนบุรี 0.866 กิโลเมตร แต่สถานีธนบุรีนั้น ก็ยังเปิดจำหน่ายตั๋วและเปิดทำการตามปกติ แต่ผู้โดยสารต้องเดินทางมาขึ้นลงขบวนรถที่สถานีใหม่ที่สร้างขึ้น แต่โครงการดังกล่าวประสบปัญหาอย่างมากทำให้หยุดชะงักไปในที่สุด

ในปี พ.ศ. 2546 ในรัฐบาลของ พ.ต.ท.ทักษิณ ชินวัตร เป็นที่น่าสนใจว่า มีชั่วระยะเวลาสั้น ๆ ที่ รฟท.ได้นำขบวนรถโดยสารเข้ามาหยุดรับส่งผู้โดยสารที่อาคารสถานีธนบุรีเหมือนเดิม แต่ในที่สุด เมื่อ รฟท.ได้มอบที่ดินบริเวณสถานีธนบุรีจำนวน 33 ไร่ แก่คณะแพทยศาสตร์ ศิริราชพยาบาล ทำให้ตั้งแต่วันที่ 4 ตุลาคม พ.ศ. 2546 รฟท.จึงไม่เดินรถเข้าสถานีธนบุรีเป็นการถาวร โดยให้ใช้สถานีบางกอกน้อยที่สร้างใหม่เป็นต้นทาง-ปลายทาง

สถานีธนบุรี หมดบทบาทไประยะเวลาหนึ่งหลังจากที่ รฟท.ยกที่ดิน 33 ไร่ อันเป็นที่ตั้งนั้นให้แก่ มหาวิทยาลัยมหิดล ทำให้อาคารสถานีธนบุรีมิใช่ทรัพย์สินของ รฟท.อีกต่อไป ขบวนรถต่าง ๆ ที่เข้าออก ถูกเปลี่ยนต้นทาง-ปลายทาง จากธนบุรีเป็นบางกอกน้อย (เหมือนเมื่อครั้งแรกก่อตั้งทางรถไฟหลวงสายใต้) แต่ต่อมา ในวันที่ 1 มกราคม พ.ศ. 2547 รฟท.ได้เปลี่ยนชื่อสถานีบางกอกน้อยที่เป็นอาคารสร้างใหม่นั้นไปใช้ชื่อว่าสถานีธนบุรี และใช้คำย่อ ธบ. พร้อมทั้งยกฐานะจากสถานีชั้น 4 ขึ้นเป็นสถานีชั้น 1 เหมือนครั้งก่อนที่จะเลิกใช้อาคารสถานีธนบุรีแห่งเดิม ทำให้บทบาทของสถานีธนบุรีกลับมาอีกครั้งตั้งแต่บัดนั้นเป็นต้นมา โดยใช้ที่ทำการใหม่คืออาคารสถานีบางกอกน้อยที่สร้างใหม่เมื่อประมาณปี พ.ศ. 2542 นั้นเอง

สิ่งหนึ่งที่น่าสนใจของสถานีธนบุรี คือเรื่องระบบอาณัติสัญญาณ โดยสถานีธนบุรี เป็นสถานีรถไฟแห่งเดียวในกรุงเทพฯ ในปัจจุบันนี้ ที่ยังคงใช้สัญญาณประจำที่ ชนิดหางปลา (ปัจจุบันสัญญาณหางปลายกเลิกการใช้งานแล้ว แต่ยังคงตั้งอยู่) นอกจากนี้ บริเวณใกล้เคียง ยังมี โรงรถจักรธนบุรี ซึ่งเป็นสถานีบำรุงรักษา-ซ่อมแซมรถจักรดีเซลที่สำคัญแห่งหนึ่งของการรถไฟฯ และยังเป็นที่เก็บรักษารถจักรไอน้ำที่เหลืออยู่ของการรถไฟฯ ซึ่งยังคงใช้การได้อีก 5 คัน ซึ่งได้มีการนำมาวิ่งลากจูง ขบวนรถพิเศษในโอกาสสำคัญ ๆ อยู่เป็นประจำ