Stasiun ini dibangun sebagai bagian dari jalur kereta api lintas Yogyakarta–Srandakan–Sewugalur.[3] Stasiun ini dibuka pada tanggal 21 Mei 1895 bersamaan dengan pembukaan segmen Yogyakarta–Srandakan.[4]
Stasiun ini sempat diganti arsitekturnya menjadi bergaya 1950-an. Stasiun ini dulu ditutup sejak tahun 1976–1977 karena kebocoran pendapatan PJKA, banyaknya penumpang gelap, kekurangan biaya perawatan prasarana, jalan raya diperlebar, dan mobil makin banyak. Sisa jalur ini, yakni jalur cabang menuju Pabrik Gula Madukismo, masih aktif hingga pertengahan dekade 1980-an. Pada akhir 1978, dilaporkan bahwa Stasiun Palbapang sudah sejak setahun terakhir tidak melayani keberangkatan kereta api penumpang, tetapi masih menjual tiket untuk kereta api antarkota.[5]
Stasiun ini dahulu mempunyai kelanjutan menuju Sewugalur yang juga dibuka pada tahun 1895, sedangkan jalur menuju Sewugalur sendiri dibuka pada tahun 1916.[4] Jalur ini unik karena jalur ini merupakan salah satu dari beberapa jalur KA di Indonesia yang dahulu memakai sepur 1.435mm.[6] Sayangnya kelanjutan jalur ini dibongkar oleh pekerja romusa Jepang pada tahun 1943 karena digunakan untuk membangun jalur kereta api baru di Saketi, Bayah, dan ada yang dibawa ke Burma untuk dibangunkan jalur kereta api di sana. Jalur ini diubah juga menjadi 1.067mm.[7]
Pada tanggal 20 Juli 1990, Pemerintah Bantul memugar stasiun ini bersamaan dengan peresmian terminal bus Palbapang. Namun bangunan stasiun ini masih ada dan asli. Kondisi stasiun saat ini sangat terawat dan bersih, tidak ada corat-coret di dinding bangunan stasiun. Tidak ada lagi bekas tiang sinyal ataupun tiang telegraf (komunikasi) di sekitar kawasan ini. Semua potongan rel kereta api sudah tidak ada, sedangkan potongan sambungan rel, roda, dan besi tua berbentuk pipa dijadikan monumen kecil di taman pada bagian tengah terminal Palbapang.[8]
