La gare de Dole-ville, a été construite par la Compagnie du chemin de fer de Paris à Lyon (PLM) et mise en service le 25 juin 1855.

Située sur la liaison Dijon-Mulhouse, véritable porte ferroviaire de la région, la ville se voit doter d'une gare singulière, avec un bâtiment voyageurs construit d'après les plans de l'architecte Alfred Ducat. Le site fut le premier dépôt du PLM en Franche-Comté et un triage important occupant jusqu'à 160 agents au début du 20e siècle. 

Le réseau ferré jurassien a été établi au XIXe siècle jusqu'à la première guerre mondiale. il irriguait le département et desservait les campagnes, jusqu'alors enclavées.

En campagne, les gares n'étaient pas construites dans les villages. mais souvent entre deux.

En ville, la gare se trouve dans la zone de faubourg qu'elle a générée entre le centre ancien et les zones d'urbanisation récente.

Le bâtiment obéissait à une politique de modèles, souvent de type néoclassique, déclinés depuis la petite station jusqu'aux gares principales (Lons-le-Saunier, Dole).

Les préoccupations récentes de qualité du cadre de vie passent aujourd'hui par la reconquête et la requalification des espaces publics privilégiant l'approche intermodale ou multimodale. 

Dès 2012, des travaux ont été entrepris pour donner naissance dans le quartier de la gare à un pôle d’échange multimodal, dynamique et fonctionnel, combiné en parallèle avec la réhabilitation de la gare par la SNCF.

Concernant la ligne des Hirondelles, le trajet de 56 km jusqu'à Andelot-en-Montagne emprunte la ligne Dijon-Vallorbe (ou Paris-Lausanne) qui s'est développée à partir du Dole-Salins de 1857.

Cette ligne, dont les tronçons se sont construits progressivement entre 1855 et 1912, pour relier le Haut au Bas-Jura, est désormais exploitée par les offices de tourisme des gares des deux extrémités, Dole et Saint-Claude.