สถานีวงเวียนใหญ่ เป็นสถานีที่ก่อสร้างพร้อมกับ สถานีกรุงธนบุรี ในโครงการรถไฟฟ้าสายสีลม ส่วนต่อขยายสะพานตากสิน-บางหว้า ช่วงที่ 1 (สะพานตากสิน-แยกตากสิน) ระยะทาง 2.2 กิโลเมตร ซึ่งสถานีทั้ง 2 แห่งได้ก่อสร้างตั้งแต่ปี พ.ศ. 2548 จนแล้วเสร็จและมีกำหนดเปิดให้บริการกลางปี พ.ศ. 2550 แต่เนื่องจากทาง กรุงเทพมหานคร ประสบปัญหาการจัดจ้างบริษัทติดตั้งระบบอาณัติสัญญาณที่เสนอราคาสูง ประกอบกับทางบริษัท ระบบขนส่งมวลชนกรุงเทพ จำกัด (มหาชน) หรือ BTSC ได้ปรับเปลี่ยนระบบอาณัติสัญญาณของ รถไฟฟ้าบีทีเอส มาเป็นระบบของบริษัทบอมบาดิเอร์ ทำให้การติดตั้งระบบการเดินรถล่าช้ากว่ากำหนดการไปมาก

จนกระทั่งวันที่ 28 กุมภาพันธ์ พ.ศ. 2551 กรุงเทพมหานคร ได้ลงนามสัญญาจัดซื้อและติดตั้งระบบการเดินรถ ส่วนที่ 1 (ระบบอาณัติสัญญาณ) กับบริษัท บอมบาร์ดิเอร์ ทรานสปอร์เทชั่น ซิกแนล (ประเทศไทย) งบประมาณ 368 ล้านบาท กรอบระยะเวลาดำเนินการ 12 เดือน และเมื่อวันที่ 22 กุมภาพันธ์ พ.ศ. 2551 ได้ดำเนินการจัดซื้อและติดตั้งระบบการเดินรถ (ไฟฟ้าและเครื่องกล) ส่วนที่ 2 (ระบบสื่อสาร, ระบบจ่ายไฟฟ้า, ระบบควบคุมและจัดเก็บข้อมูลและระบบประกอบอาคารในสถานีที่เกี่ยวข้องโดยตรงกับระบบรถไฟฟ้า) กับกลุ่มบริษัท AAT Consortium จำกัด งบประมาณ 675 ล้านบาท และลงนามในสัญญาว่าจ้างเมื่อวันที่ 25 เมษายน พ.ศ. 2551 ใช้ระยะเวลาติดตั้งระบบประมาณ 300 วัน [1][2]

เมื่อส่วนต่อขยายนี้ดำเนินการเสร็จสิ้น กรุงเทพมหานคร ได้เปิดทดลองเดินรถไฟฟ้าช่วงสะพานตากสิน-วงเวียนใหญ่ ข้าม แม่น้ำเจ้าพระยา เป็นครั้งแรก โดยทดสอบระบบอาณัติสัญญาณและระบบที่เกี่ยวข้อง ระหว่างวันที่ 1 มีนาคม - 12 เมษายน พ.ศ. 2552 และเริ่มทดลองให้บริการ (Trial Run) โดยไม่มีผู้โดยสารตั้งแต่วันที่ 13 เมษายน พ.ศ. 2552 ต่อมา กรุงเทพมหานคร ได้เปิดให้บริการแก่ประชาชนอย่างเป็นทางการโดยไม่คิดค่าโดยสารระหว่างวันที่ 15 พฤษภาคม - 12 สิงหาคม พ.ศ. 2552 หลังจากนั้นจึงจะเก็บค่าโดยสารตามระยะทาง ซึ่งหลังจากเปิดให้บริการตั้งแต่เวลา 08.00 น. วันที่ 15 พฤษภาคม พ.ศ. 2552 พบว่าสถานีวงเวียนใหญ่มีผู้ใช้บริการ 28,800 เที่ยวคน/วัน และ สถานีกรุงธนบุรี มีผู้ใช้บริการ 12,000 เที่ยวคน/วัน รวม 40,800 เที่ยวคน/วันและวันที่ 18 พฤษภาคม มีผู้โดยสารมากขึ้นเป็น 43,500 เที่ยวคน/วัน คาดว่าในอนาคตจะมีผู้โดยสารมาใช้บริการส่วนต่อขยายนี้ถึงวันละ 50,000 เที่ยวคน/วัน [3]