La ligne directe Saint-Denis - Creil via Survilliers-Fosses fut ouverte le 10 mai 1859 sur l'itinéraire Paris-Lille. La ligne est doublée en 1907 jusqu'à Orry-la-Ville.
Son architecture est un modèle standard des gares de seconde classe de la Compagnie des chemins de fer du Nord, réalisée sur le plan-type de l'architecte de la compagnie, Lejeune. Les pavillons aux extrémités correspondaient au logement du chef de gare et du sous-chef de gare. La gare actuelle a conservé son auvent d'origine sur le quai ainsi que ses fausses voûtes métalliques au plafond du hall.
En 1862 est créée la ligne Chantilly - Senlis (12 km) : elle rejoignait la gare de Chantilly par un embranchement situé au nord du viaduc, derrière l'actuel quartier Lefébure. Le trajet se faisait en 20 min et desservait les gares et haltes de Saint-Maximin, Golf de Chantilly, Vineuil, Saint-Firmin, Aumont, Saint-Nicolas, Senlis. Cette ligne est prolongée jusqu'à Crépy-en-Valois en 1870, rejoignant ainsi la ligne Paris - Laon. Le trajet se fait alors en une heure. La ligne est fermée aux voyageurs en 1950 et totalement désaffectée en 1960.
Un embarcadère a existé non loin de l'actuelle rue de l'embarcadère, réservé à l'embarquement des chevaux de courses, en lien avec l'hippodrome et les nombreuses écuries d'entraînement à Chantilly, Gouvieux et Lamorlaye. Un autre embarcadère était réservé au régiment de Spahis de Senlis, au niveau de l'actuel parking du même nom.
Une gare des courses a existé entre 1897 et 1954 : située à l'emplacement de l'actuel quartier de Verdun, au sud de la gare principale, il s'agissait de onze quais et douze voies spécifiques raccordées à la voie Creil - Paris et réservées au débarquement et à l'embarquement des voyageurs les jours de courses sur l'hippodrome. Chaque voie pouvait accueillir un train de 21 voitures de 1re et 2e classes pouvant contenir 1000 voyageurs, permettant ainsi le départ ou l'arrivée de 12 000 voyageurs en simultané. La gare était équipée par ailleurs d'une plaque tournante et d'un château d'eau. Aux heures de pointe, les deux lignes de la voie Paris - Creil étaient monopolisées dans un seul sens de circulation, les trains mettant alors 35 min pour rejoindre Paris. L'utilisation de cette gare est interrompue avec la Seconde Guerre mondiale et sera désaffectée rapidement par la suite.
En 1922, un projet de reconstruction et d'agrandissement du bâtiment est proposé par l'architecte de la Compagnie des chemins de fer du Nord, Gustave Umbdenstock. Ce projet ne sera jamais suivi d'effet.