La gare de Mayenne est inaugurée le , à l’occasion de la mise en service de la section ferroviaire reliant Laval à Mayenne. Ce tronçon, le premier achevé dans le cadre de la ligne Caen-Laval, permet l’intégration de la ville au réseau la Compagnie des chemins de fer de l’Ouest. Une cérémonie de bénédiction des locomotives est organisée le de la même année. À cette époque, le parcours entre Laval et Mayenne exigeait approximativement une heure dans des conditions optimales, tandis que la durée habituelle s’élevait à une heure et vingt minutes.
Durant la Seconde Guerre mondiale, la gare subit de plein fouet les bombardements alliés de 1944, lesquels occasionnèrent des dommages considérables à l’édifice ainsi qu’aux ouvrages attenants, au premier chef le pont de Mayenne, établi sur la ligne ferroviaire reliant Mayenne à Landivy. À l’issue des hostilités, une reconstruction fut entreprise, aboutissant en 1961 à un bâtiment d’une facture résolument fonctionnelle, conforme aux impératifs techniques et esthétiques de l’époque.
Le trafic voyageurs de la gare de Mayenne cessa définitivement le , marquant l’interruption des circulations régulières de trains de voyageurs. Le transport des marchandises perdura quant à lui jusqu’en , époque à laquelle la ligne fut entièrement désaffectée pour le fret. Enfin, le guichet de vente des billets SNCF ferma ses portes en .
Après la cessation de ses activités ferroviaires, l’édifice de la gare est transféré par la municipalité de Mayenne à Mayenne Communauté le . Il fait actuellement l’objet d’une réhabilitation destinée à sa reconversion en un espace destiné à la jeunesse, dont l’inauguration est prévue en . Ce projet architectural et social entend conserver certains vestiges historiques, tels que le comptoir d’accueil et la bascule à bagages, tout en réaffectant les lieux à une vocation nouvelle: un équipement socio-culturel à l’usage des adolescents âgés de 12 à 18 ans.
