Stationen blev oprettet i forbindelse med ibrugtagningen af Godsbanegården i København i 1901, som en forgrening af Vestbanen ved Vigerslevvej, hvor der i forvejen var en bevogtet overkørsel. Før det var der en midlertidig station under anlægsarbejdet af Godsbanegården, hvor tog med materiel til anlægsarbejdet kunne føre ind. Allerede i 1909 bliver banen til Godsbanegården omlagt fra den nuværende linje til Hovedbanegården til den nuværende godsforbindelsesbane. Imod banen til Frederiksberg var der ved Roskildevej en krydsningsstation hvor fra/til baner nord for København, kunne kommer til Godsbanegården via Valby. Her blev godstrafikken i 1909 fra/til nord omlagt til godsforbindelsesbanen via Valby Gasværk station og strækningen via Valby Station blev nedlagt i 1913. 'Valby Gasværk Station' var i en kort årrække en selvstændig station ved egen stationnsbygning, men blev senere underlagt Vigerslev station. Valby Gasværk Station lå der hvor godsforbindelsesbanen går over Vigerslev Allé. I 1911 afsluttedes sidste trin i denne omlægning, hvor Vestbanen omlagdes til den nuværende linjeføring til Hovedbanegården.

Næste bølge af rækker er omlægning til Godsringbanen imod nord. Den 23. oktober 1929 omlagdes trafikken fra Frederiksberg til Vestbanen til at blive ført over Flintholm Station. I maj 1930 omlagdes resten af trafikken til Godsringbanen og strækningen imellem Frederiksberg og Vigerslev blev nedlagt. 'Harrestrup Station' blev oprettet som en understation???, hvor Godsringbanen afgrener imod Vestbanen. Året efter?? blev der installeret et sikringsanlæg der dækkede Vigerslev, Harrestrup og Valby Gasværk Stationer med en nyopført kommandopost ved overkørslen ved Vigerslevvej. I 1938 blev overkørslen erstattet med en bro, der førte vejen under banen.

I 1951 og 1952 blev Vigerslev ombygget med niveaufri krydning af Vestbanen og den tekniske forgreningsstation 'Hvidovre Fjern' oprettedes for tog i østgående retning ud for S-togstationen Hvidovre. I 1979 blevr Hvidovre Fjern udskilt i en selvstændig teknisk station, som håndterede afgreningen fra/til Vestbanen i begge retninger. Denne nye station fjernstyres fra Roskilde. Samtidig bliver betegnelserne Harrestrup og Valby Gasværk afskaffet og hele stationsområdet blev kaldt Vigerslev station. I 1980 fik Vigerslev station nyt sikringsanlæg og betjeningen af stationen flyttedes fra kommandoposten ved Vigerslevvej til Hvidovre Nær T og senere blev stationen fjernstyret fra Hovedbanegården.

I 1998 åbnes strækningen til Øresundsbanen og stationsgrænsen flyttes om på den anden side af Gammel Køge Landevej. De gammel godsspor bliver ændret til et omløbsspor, hvor tog imellem Sverige og Godsbanegården kan skifte kørselsretning.

Efter åbningen af Øresundsforbindelsen i 2000, mistede Godsringbanen betydning og banen blev ombygget til S-bane under navnet Ringbanen og sporene på Vigerslev Station blev omlagt. På den gamle stationens område åbner i januar 2005 stationerne Danshøj, Vigerslev Allé T og den midlertid station ved Gammel Køge Landevej. Teknisk bliver Vigerslev Station udvidet med en S-tog afdelingen fra Vigerslev Alle Station, som også omfatter Ny Ellebjerg T's lave del, der blev åbnet for trafik i 2007. S-banen delen har forbindelse med resten af Vigerslev station, hvor det er mulig føre tog for signal mellem Ringbanen og hhv. Godsforbindelses- og Øresundsbanen.

Man er igang med en ombygning af godsforbindelsesbanen til persontrafik, som åbner i 2012. I 2018 vil den nye bane København-Ringsted udgå fra Vigerslev Station.

Udover at være et vigtig trafikknudepunkt, var der ekspedition af gods. Læssesporet blev taget i brug i 1931, og der var ekspedition af stykgods i perioden 1952 til 1974. I 1988 stoppede betjeningen af vognladningsgods. Fra stationen var der sidespor til Valby Gasværks spor, hvor bl.a. Grøntorvet blev betjent. Gasværket have deres egen bane parallelt med Godsforbindelsesbanen til havnen. I dag er der kun få sidespor tilbage ved Grøntorvet, som nu kun bruges til baneformål.

• Godsforbindelsesbanen ved København
• Nybygningsløsningen
• Ringbanen
• Vestbanen
• Øresundsbanen

• Danshøj T
• Vigerslev Alle T
• Ny Ellebjerg T
• Hvidovre Nær T
• [[Hvidovre Fjern station]

• John Poulsen: Byens baner - Jernbanen i København i 150 år.
• Vestegnen og jernbanen gennem 150 år : København-Roskilde banen 1847-1997