La stazione di Sassari fu costruita ad opera della Compagnia Reale delle Ferrovie Sarde nella seconda metà del XIX secolo, e fu inaugurata nel 1884, dodici anni dopo che il primo treno delle allora Ferrovie Reali aveva raggiunto il capoluogo turritano, e quattro anni dopo il completamento del collegamento ferroviario con Cagliari.

Lo scalo, posto lungo la Ozieri Chilivani-Porto Torres (diramazione della Cagliari-Golfo Aranci), nel 1888 divenne anche stazione della costruenda linea a scartamento ridotto Sassari-Alghero, grazie a un accordo tra le Reali e le Strade Ferrate Secondarie della Sardegna, concessionaria della linea per Alghero, la quale sarà inaugurata nell'anno successivo. Nell'aprile 1899 la stazione ospitò anche il treno dei reali, infatti durante la visita di Umberto I e di Margherita di Savoia in Sardegna, il Re e la Regina percorsero l'intero tragitto tra la stazione di Cagliari e quella sassarese.

Nel corso dei decenni successivi vi furono vari passaggi di proprietà delle linee, la linea per Porto Torres passò alle Ferrovie dello Stato nel 1920, mentre quella per Alghero venne ceduta alle Ferrovie Complementari della Sardegna nel 1921. All'inizio degli anni trenta due nuove linee, la Sassari-Sorso e la Sassari-Tempio-Palau, vennero realizzate dalla Ferrovie Settentrionali Sarde, e anch'esse trovarono il capolinea nello stazione di Sassari. Sebbene vi fossero forti legami tra le Strade Ferrate Sarde (titolari delle linee per Sorso e Palau dal 1933) e le FCS (la prima era azionista di maggioranza della seconda), sino al 1941, anno di passaggio della Sassari-Alghero alle SFS, furono quindi tre diverse concessionarie a far transitare i loro rotabili nello scalo sassarese. Nel 1939, con l'entrata in guerra dell'Italia ormai alle porte, la copertura metallica della stazione venne smantellata col fine di fonderla per recuperarne ferro per l'industria bellica nazionale. In guerra Sassari venne in buona parte risparmiata dai pesanti bombardamenti degli alleati del 1943, che distrussero Cagliari ed Alghero, e nello scalo furono dislocati temporaneamente parte degli uffici della stazione FS cagliaritana, gravemente danneggiata dalle bombe. La stazione di Sassari e parte delle vicine linee ferroviarie vennero tuttavia colpite il 14 maggio 1943, quando una bomba cadde nei pressi dell'impianto causando tre vittime: il ferroviere militarizzato Giovanni Toccu di 45 anni e i due militari Martino Mellino ed Eugenio Ligabue, rispettivamente di 26 e 29 anni.

Nel secondo dopoguerra nella stazione furono costruite due nuove pensiline in ferro, realizzate a fine 1956, dopo le proteste dell'utenza. Importanti lavori interessarono l'impianto tra gli anni settanta e ottanta, con la realizzazione di un nuovo deposito locomotive e delle annesse officine, il restauro del fabbricato viaggiatori, e la realizzazione di un nuovo terminal merci intermodale, edificato nell'area delle vecchie rimesse rotabili demolite nell'occasione, ed in uso sino alla fine degli anni duemila, periodo in cui in Sardegna cessò da parte di Trenitalia Cargo il servizio di trasporto merci su base regolare.

Dal punto di vista gestionale si registrarono vari passaggi di proprietà tra la fine del Novecento e la prima parte del XXI secolo, con le competenze FS cedute alla propria controllata RFI nel 2001, e l'amministrazione dello scartamento ridotto passata nel 1989 alle Ferrovie della Sardegna (dal 2008 ARST Gestione FdS) e nel 2010 all'ARST. Sotto la gestione FdS venne realizzata la tranvia di Sassari (inaugurata nel 2006), la cui costruzione portò a inserire in stazione un binario di solo transito ad uso tranviario per permettere il passaggio dei mezzi da e verso i depositi dell'infrastruttura e successivamente anche per consentire il collegamento col capolinea di Santa Maria di Pisa.

Dal 1º febbraio 2015 il numero delle linee di trasporto pubblico attive nell'impianto si è ridotto a tre, con la sostituzione delle relazioni sulla Sassari-Nulvi (unico tronco della linea per Tempio e Palau su cui era rimasto attivo un servizio passeggeri ordinario) con autolinee.

I taxi sostano all'esterno della stazione.

• Dallo scalo ferroviario è possibile raggiungere varie località dell'hinterland sassarese con le autolinee interurbane dell'ARST, della Fara Viaggi, della Pisanu e della Zentile.

Sempre dinnanzi all'impianto è presente una fermata della ATP, che espleta il servizio di autolinee urbano in città.

Sul piazzale esterno della stazione è posta una fermata della tranvia di Sassari, con collegamenti verso il centro cittadino e Santa Maria di Pisa.

La stazione dispone di:

• Biglietteria a sportello
• Biglietteria automatica
• Sala d'attesa
• Servizi igienici
• Posto di Polizia ferroviaria