La première voie ferrée a été construite en 1857 et était composée de deux voies (allant de Genève à Versoix). Les gares étaient alors de simples abris en bois. La mise en service date du 18 juin 1858 mais les bâtiments ont été réellement achevés en 1861. L'architecte du bâtiment n'est pas officiellement connu; cependant, il est probable que la gare ai été établie selon les plans-types de Jean Franel dont on connaît plusieurs de ses gares, ayant un architecture similaire.

En septembre 1877, la compagnie de Chemins de fer de l'ouest suisse annonce établir des trains de banlieue avec halte au passage à niveau. Une halte est alors crée au chemin de l'Impératrice : la halte de Pregny.

Le 16 octobre 1987, la gare est inscrite sur la liste des objets inscrits à l'inventaire par le Département des Travaux Publics du canton de Genève.

En 2001, le bâtiment de la gare et plusieurs maisons limitrophes de la voie ferrée sont détruits pour la mise en service de la troisième voie CFF entre la gare de Coppet et la gare de Genève-Cornavin qui est inaugurée le 2 octobre 2004 et mise en service le 12 décembre 2004. Cette troisième voie a permis l'introduction de la cadence horaire d'un train toutes les demi-heures. L'ancienne gare a laissé place à un quai latéral situé de l'autre côté des voies.

La gare actuellement.

Source : Gare de Chambésy, Jérémy Toma, sur Wikipédia (2016) d'après l'œuvre Pregny, commune genevoise et coteau des altesses, Guillaume Fatio (1947).