Vaasan radan rakentaminen alkoi vuonna 1879 ja se valmistui 1882. Rautatien pohjan maamassat on pyritty saamaan mahdollisimman läheltä rakennettavaa rataa. Perimätiedon mukaan myös Ylistaron Taipaleella sijaitsevasta Töylinkorvesta on otettu rakennusainetta.
Välille Östermyra-Nikolainkaupunki (Seinäjoki-Vaasa) senaatti määräsi kolme rautatieasemaa. Ne olivat Kaukola, Tervajoki ja Laihela. Nämä rakennettiin samanaikaisesti vuosina 1881–83. Kaukola muutettiin 15. tammikuuta 1891 Ylistaroksi. Nimenmuutos johtui siitä, että oli olemassa toinenkin Kaukola -niminen asema, joka sijaitsi Karjalassa.
Ylistaron asema rakennettiin Vaasan rautatien pysäkkien piirustusten mukaan. Asemarakennusta laajennettiin B. Granholmin suunnitelman mukaan vuonna 1893. Laajennus tehtiin poikkipäätyinä alkuperäisen rakennuksen molemmin puolin. Rakennus on ulkoasultaan säilynyt melko hyvin. Sisäosissa on tallella alkuperäisiä paneeleja, kaakeliuuni ja huonekaluja. Alueella oli aikoinaan makasiinirakennuksia, puisto, kaksi asuinrakennusta ja kaksi tilavaa kellaria. Junaliikenne avattiin 4. tammikuuta 1883.
Jatkosodan aikaan myös saksalaisia sotilaita oleskeli paikkakunnalla. Yhtenä aamuna vain huomattiin ratapihan täyttyneen saksalaisista sotilaista ja heidän varusteistaan. Ratapihalle varastoitiin suuri määrä ammuksia. Eräänä yönä ammuskasa romahti ja ammukset lähtivät vierimään uhkaavasti. Kylällä uskottiin jonkun sabotoineen ammusvarastoa. Väitteen todenperäisyyttä ei kuitenkaan pystytty toteennäyttämään.
Vaasan radan sähköistämispäätös tehtiin kesällä 2008. Tämän jälkeen raidenopeudet välillä kasvoivat ja Seinäjoki-Vaasa väliltä poistettiin käytöstä useita asemia, mukaan lukien Ylistaron asema. Mm. Ylistaron kylät ovat yhdessä tehneet esityksen pilottikokeilujen käynnistämiseksi ja raideliikenteen uudelleen käynnistämiseksi Ylistaron asemalla.
Lisätietoa Ylistaron rautatieaseman vaiheista löytyy Asemanseudun historiatyöryhmän laatimasta Menneitä ja Muistoja historiakirjasarjasta.