In februari 1865 wordt het baanvak Arnhem – Zutphen van Staatslijn A gebruik genomen. Langs de hele staatslijn komen standaard stationsgebouwen van de eerste generatie zogenaamde Waterstaatstations. Dieren-Doesburg krijgt een stationsgebouw van het type vijfde klasse. Het kleine rechthoekige gebouw heeft een middendeel met puntgevel dat zowel aan straat- als perronzijde iets naar voren staat en twee korte zijvleugels. Op de benedenverdieping is ruimte voor de hal, wachtkamer, kantoor en opslag en op de bovenverdieping is in gebruik als woning. Datzelfde jaar besluiten de Staatsspoorwegen de vier tussenstations tussen Arnhem en Zutphen te vergroten om zo wachtkamers van verschillende klassen te realiseren. De stations Velp, De Steeg, Dieren-Doesburg en Brummen krijgen een laag voorhuis dat om de voorgevel en de linker zijkant is gebouwd.
In de zomer van 1887 krijgt Dieren aan de andere zijde van het emplacement een tweede stationsgebouw. In juli dat jaar neemt de Koninklijke Nederlandse Locaalspoorweg-Maatschappij de lokaallijn Apeldoorn – Dieren in gebruik. Het eenvoudige lage stationsgebouw behoort tot het type 2e klasse van de KNLS dat onder andere ook in Beekbergen en Holten is gebouwd. Het gebouw kent naast enkele lokalen voor de stationsdienst ook een woning. De treindienst is na twee jaar verplaatst naar het station van de Staatsspoorwegen. Het stationsgebouw is hierna verbouwd tot dienstwoning.
In 1902 is het emplacement opnieuw ingericht en krijgt Dieren-Doesburg een breed eilandperron. Op het perron komt een langgerekt gebouw met wachtruimtes en een kantoortje. Het perron is bovendien grotendeels overkapt. Het stationsgebouw van de Staatsspoorwegen krijgt grotendeels een nieuwe bestemming. Ondanks dat het gebouw vrijwel geen stationsfuncties meer heeft, is het middendeel in 1914 net als dat van de drie andere stations langs de lijn met een verdieping verhoogd.
Bij bombardementen in oktober 1944 raakt het emplacement en de omgeving van station Dieren-Doesburg zwaar beschadigd. Na de oorlog zijn de restanten van beide oude stationsgebouwen gesloopt en is alleen het perrongebouw hersteld. Hier zijn voortaan ook de loketten en de ruimte voor de stationschef ondergebracht. Vanaf mei 1976 staat het station als Dieren in het Spoorboekje.
Op de foto boven dit artikel het stationsgebouw van Dieren op 27 december 2019.
Aan het begin van de 21e eeuw zijn er plannen om zowel de spoorlijn als de naastgelegen provinciale weg N348 ter hoogte van de dorpskern verdiept aan te leggen. Uiteindelijk is besloten alleen de weg te verdiepen en deels door een tunnel te laten lopen. Op het dak van de tunnel komt een stationsplein. Ook aan de noordzijde van het station komt een nieuw stationsplein. Over het emplacement komt een voetgangersbrug die beide pleinen en het eilandperron met elkaar verbindt. De opvallende brug krijgt de naam Hoge Juffer en is in 2017 gereed. Een jaar later is ook de nieuwe parkeergarage aan de noordzijde van het station gereed. Zowel de brug als de parkeergarage zijn met houten lamellen afgewerkt.
