海石湾站建于1958年。当时隶属于兰州铁路局西宁铁路分局。2002年9月3日青藏铁路公司挂牌成立。2004年6月19日，海石湾站随西宁铁路分局从兰州铁路局整建制划出，并入青藏铁路公司（今中国铁路青藏集团有限公司）。6月22日18点，兰州局与青藏公司正式交割运输指挥权，青藏公司调度由铁道部调度直接指挥。2017年11月19日，青藏铁路公司更名为中国铁路青藏集团有限公司。2006年4月24日，兰青铁路增建第二线及电气化改造工程开工建设，概算总投资28.05亿元，其中电气化改造1.38亿元，总工期30个月。2008年6月30日，兰青铁路西宁至海石湾区间双线铺轨全部完成，9月14日开通了海石湾至水车湾区间双线，实现了与兰州枢纽的接轨及开通。2019年2月6日起，因张家庄隧道原因，兰新客专线兰州西-西宁段暂停使用，海石湾站进行高站台改造后暂时代替民和南站办理动车组列车客运业务，票价均按照民和南站票价所计算。