Mit Eröffnung des ersten Streckenabschnitts der Eisenbahnstrecke von Wanne (heute Wanne-Eickel) nach Münster wurde am 1. Januar 1870 von der Cöln-Mindener Eisenbahn-Gesellschaft (CME) im Auftrag des preußischen Staates eröffnet. Buchholz bekam an der Eisenbahnstrecke am 1. Juni 1874 einen eigenen Bahnhof. Es war ein kleines, provisorisches Fachwerkziegelbau-Gebäude mit Walmdach. Direkt gegenüber besaß der Bahnhof ein weiteres Empfangsgebäude der Berlin-Hamburger Eisenbahn-Gesellschaft (BHE), das ein verschiefertes zweistöckiges Gebäude mit Sattendach war. Die Station verfügte anfangs eine Betriebswerkstatt mit zweiständigen Rechteckschuppen, eine Drehscheibe sowie einen Kohleschuppen. Auf der Gesamtstrecke, die von Wanne nach Harburg (Hamburg) verläuft, begann der Eisenbahnverkehr am 1. Juni 1874. Am 1. Oktober 1901 eröffnete die Heidebahn ihre Strecke von Soltau nach Buchholz. Im selben Jahr wurden auch zwei Stellwerke gebaut. 1904 baute man die Gleisanlagen um. Dabei erhielt der Bahnhof ein neues Empfangsgebäude. Das Gebäude der CME wurde abgerissen, das der BHE als Wohnhaus genutzt. Die Betriebswerkstatt wurde zum Bahnbetriebswerk ausgebaut. Ab 1908 wurde die Strecke zweigleisig. Um 1910 ersetzte man das alte Stationsgebäude durch das noch heute existierende Gebäude. Zwischen 1978 und 1984 nahm die Deutsche Bundesbahn die Teilstrecke ihre erste Schnellfahrstrecke (200 km/h) zwischen Sprötze und Laurenburg in Betrieb. 1986 erhielt der Abschnitt ein drittes Streckengleis. 1989 wurde das Bahnbetriebswerk geschlossen.