Nádraží Praha-Dejvice je nejstarším pražským nádražím. Trať, u které budova nádraží stojí, měla původně spojit Prahu s Plzní, do té doby měla především sloužit k dopravě dřeva z křivoklátských lesů. Od května 1830 zde jezdila koněspřežka na úseku z Prahy do Kladna a pak dál z Kladna do Lán. Z této doby pochází i původní nádražní budova, která v upravené podobě dosud stojí za kolejištěm naproti současné budově.

Od roku 1855 přechází dráha na parostrojní pohon a nazývá se dále Buštěhradská dráha. Roku 1868 byla železnice prodloužena přes tunel v Královské oboře do nádraží Praha-Bubny, odkud bylo přes Negrelliho viadukt spojení na Státní, dnes Masarykovo nádraží. V šedesátých letech byla nejprve přestavěna původní budova, poté přistavěn vodojem (1872) a konečně 1873 postavena nová budova nádraží. V současné době se zvažuje využití dráhy do Kladna a její přeměna na rychlodráhu.

Za první republiky nádraží využíval prezident T. G. Masaryk pro cesty do lánského zámku. Roku 1927 zde byl zřízen prezidentský salonek s příjezdovou rampou a samostatným nástupištěm.

Stanice je velmi často vybírána jako lokace pro filmování historických filmů, domácích i zahraničních. Zahrálo si například v seriálu Major Zeman, Vlak dětství a naděje, Rozpuštěný a vypuštěný, Hříšní lidé města pražského, Operace Silver A, Poslední vlak a v řadě dalších filmů.