1931년 대전군 유천면 유지들의 연대서명으로 역사 설립 운동이 시작되어 1935년5월 착공하여 1936년10월 준공되어 11월 1일 영업을 시작하였다.[3]1936년 이곳에 역이 세워질 당시에 이 곳은 대전부 외곽 지역이었으나, 그 후 1960년대에 접어들고 대전시 시가지가 확장되면서 이곳도 대전의 도심 지역에 속하게 되었으며, 그 후 역 규모와 이용객 수가 크게 증가하였다.
1978년, 대전조차장역 ~ 서대전역 구간의 복선화가 완료되면서 호남선 열차는 대전역을 경유하지 않고 서대전역을 거치게 되었다. 그 후 대전시의 광역시 승격과 둔산신도시 건설 및 유성의 부도심화, 1993년 대전 세계 박람회 개최로 이용객이 증가하고 새마을호까지 정차하는 역이 되었으며, 2004년KTX 개통과 함께 역사가 신축되었고, 모든 호남선 경유 열차가 정차하는 주요 역의 지위를 갖게 되었다.
1909년 5월 호남선 철도 기성회가 조직되었을 때, 호남선 분기점을 두고 대전과 조치원 양쪽 지방 사이에 다툼이 벌어졌으나, 대전으로 결정되어 1910년 7월 호남선 철도 기공식을 가졌다.[8]
과거 분기 구조
현재 분기 구조
호남선이 처음 부설되었을 때는 경부선 측 분기점이 부산을 향하게 되어 있어서, 서울에서 목포 등지로 이동하려면 대전역에서 오랜 시간 동안 기관차를 돌려야 했다. 대전역 가락국수가 유명해진 것도 이 때문이었다.
(구)대전선이 부설된 이후 대전조차장에서 서대전역으로 곧장 분기하여 바로 호남선으로 들어가므로 굳이 대전역을 경유하여 기관차를 돌릴 필요가 없게 되었다. 그러나 대전을 경유하여 호남과 영남을 오가는 승객의 경우, 역이 서대전, 대전으로 이원화되면서 불편을 겪게 되었다.
기존에는 대전역에서 서울 방향, 영남 방향, 호남 방향의 모든 열차를 이용할 수 있었으나, 대전조차장역에서 서대전역을 연결하는 (구)대전선의 부설 이후, 호남 방향은 서대전역, 영남 방향은 대전역으로 승객 처리가 이원화되었다. 대전 - 서대전 구간(현 대전선)을 경유하는 여객 열차는 없으며, 따라서 대전을 경유하여 호남 - 영남을 이동하는 승객은 거의 대부분 대전역이나 서대전역에서 다른 교통 수단을 이용하여 환승해야 하는 불편을 겪게 되었다.
호남고속선 1단계 구간이 완공되어 서대전역에 정차하던 KTX 열차의 정차역이 공주역으로 바뀌었다. 그러나 공주역이 있는 공주시이인면은 인구 3천명 가량으로 서대전역보다 수요가 적은데다가 공주 도심에서 남쪽으로 15km 떨어진 곳에 위치해있어 문제가 되고 있었다.
기존 호남선 이용객의 30% 이상을 차지하는 서대전역 수요를 고려하여 일부 경부선KTX가 수원역이나 밀양역, 구포역을 경유하는 것처럼 호남선KTX도 서대전역을 경유하여 운행 횟수를 늘리려는 안이 제시되었지만 호남 정치인들은 익산 ~ 대전조차장 최고 속력이 150km/h에 불과하고 선형이 불량해 서대전역을 경유하면 2시간 18분이 소요된다고 반대하였다.
행신역 ~ 용산역 ~ 서대전역 ~ 익산역 간 KTX는 하루 18회 운행되고 있다.[10]국토교통부는 호남선KTX 서대전역 경유 문제의 근본적인 발단이 된 서대전 ∼ 논산 구간의 철도 선로를 개량을 위해 제3차 국가철도망구축계획에 호남선 직선화 공사를 확정하였다.[11] 2016년 12월부터 SRT 운행과 함께 하루 22회로 증편되며 서울역 ~ 서대전역 ~ 익산역 10회, 용산역 ~ 서대전역 ~ 목포역 4회, 용산역 ~ 서대전역 ~ 여수엑스포역 4회, 용산역 ~ 서대전역 4회로 운행하고 있다.