La gare de Vireux-Molhain est inaugurée le 16 avril 1862 par la Compagnie des chemins de fer des Ardennes lors de la mise en service de la section de Nouzonville à Givet de la ligne de Soissons à Givet. Le bâtiment voyageurs date de l'ouverture de la ligne, le style néoclassique, comporte un corps de logis à étage de trois travées sous toiture à deux croupes ainsi que deux ailes basses symétriques, lesquelles comportent six travées à Vireux-Molhain, et dont la toiture se termine par une croupe. Jusqu'en 1971, elle était une gare de bifurcation avec la ligne du Viroin vers la Belgique (Mariembourg et Charleroi) sur laquelle une desserte voyageurs a été organisée jusqu'en 1962.
