斗南站原稱他里霧,於1903年(民前9年)12月15日嘉義至他里霧間鐵路通車,即於現址設站原木造簡陋站房。民國9年10月1日地方制度改制「他里霧」改稱「斗南」。
因業務成長及展望未來發展,於1945年(民國34年)3月改建為斜屋頂磚造宮殿式站房建築。車站主體為長形空間,並形成不同屋脊高度的斜屋頂,大廳做成重簷,上方以四斜屋頂構成,下方屋簷出挑形成簷廊。
1930年台灣糖業鐵道斗南–北港–西螺線即以本站為起點 ,惜因台糖外銷業務萎縮,糖鐵營運沒落,台糖斗南站於1995年奉令拆除,同時廢除斗南–虎尾支線。