Nach jahrelangen Diskussionen wurde 1868 entschieden eine Eisenbahnstrecke von Chemnitz nach Adorf zu bauen. Dazu gründete sich 1872 die Chemnitz-Aue-Adorfer Eisenbahngesellschaft (CAAE). Im Juli 1873 erfolgte der erste Spatenstich und bereits nach 28 Monaten Bauzeit konnte die Strecke 1875 eröffnet werden. 1876 wurde die Strecke an den sächsischen Staat übergeben und die CAAE löste sich 1888 auf. Die Inbetriebnahme war ausschlaggebend für die Ansiedlung einiger Industriefirmen in Dittersdorf.

Der Bahnhof wurde als Kreuzungs- und Verladebahnhof angelegt. Es gab zwei Bahnsteiggleise für den durchgehenden Zugverkehr, ein bis an den Güterschuppen heranreichendes Ladegleis sowie ab 1905 ein langes Abstell- und Freiladegleis. Dafür wurde eine zusätzliche Brücke über die Zwönitz gebaut. Neben dem Personenverkehr wurden vor allem Transportleistungen im Güterverkehr durchgeführt. Dazu gehörten auch Postsendungen. Etliche Male am Tag transportierten Postangestellte Pakete und Briefsäcke mit Handkarren zum Bahnhof, die dann in bestimmten Zügen weitertransportiert wurden. Diese umfangreichen Arbeiten der Bahn erforderten zahlreiche Mitarbeiter. Am Dittersdorfer Bahnhof waren vor dem zweiten Weltkrieg 15 Mitarbeiter fest angestellt, 1946 wurde das zweite Gleis als Reparationsleistung an die Besatzungsmacht abgebaut.

Damit konnte der Bahnhof nicht mehr als Kreuzungsbahnhof genutzt werden. Im Januar 1960 wurde der Bahnhof dem Leitbahnhof Einsiedel unterstellt, der nun den Streckenabschnitt von Erfenschlag bis Kemtau regelte. Auch der Güterverkehr auf der Strecke Chemnitz – Aue wurde immer weniger. Im Dezember 1996 fuhr der letzte planmäßige Güterzug durch Dittersdorf. In den Jahren 2003/2004 erfolgte eine tiefgreifende Erneuerung der Bahnstrecke mit neuen Gleisen und moderner Stellwerks- und Sicherheitstechnik, so dass wieder moderne Dieseltriebwagenzüge auf der Strecke fahren konnten. Allerdings war der Bahnhof Dittersdorf immer noch nur ein Haltepunkt.

Seit Anfang der neunziger Jahre gab es Überlegungen das Chemnitzer Straßenbahnnetz mit regionalen Eisenbahnstrecken zu verknüpfen. In den Folgejahren wurde dieses Vorhaben weiter untersucht und geplant. Das Vorhaben fungiert unter der Bezeichnung „Chemnitzer Modell“ und enthält 5 Ausbaustufen. Nach der Realisierung der 1. Stufe (Chemnitz-Stollberg), die Ende 2002 in Betrieb ging, wurde die Strecke Chemnitz – Aue als 2. Stufe geplant. Im Zuge dessen wurde der Bahnhof Dittersdorf wieder zu einem Kreuzungsbahnhof umgebaut, d. h. wieder mit einem zweiten Gleis versehen. In den Jahren 2020 bis 2021 wurden umfangreiche Bauarbeiten am Bahnhof und den angrenzenden Brücken vorgenommen. So wurden die Bahnsteige und die zugehörigen Anlagen neu gebaut, die angrenzenden Brücken erneuert und Parkplätze eingerichtet. Außerdem wurde die Bushaltestelle erneuert und ein Wendeplatz für Busse gebaut. Seit dem 21.09 2022 ist Dittersdorf an das Straßenbahnnetz von Chemnitz angeschlossen.