Asema avattiin 1. syyskuuta1903 ruotsinkielisellä nimellä Täkter. Asemarakennus valmistui samana vuonna, ja sitä jatkettiin jo 1910. Suomenkielinen nimi Tähtelä lisättiin 1928. Aseman pohjoispuolella toimi tiilitehdas, jolla oli käytössään kapearaiteinen rillirata.
Porkkalan vuokra-aikana Tähtelä oli raja-asema, koska se oli lähimpänä vuokra-alueen länsirajaa sen ulkopuolella sijainnut rautatieasema. Tähtelässä Turusta Helsinkiin kulkevien junien eteen vaihdettiin neuvostoliittolainen veturi ja vaunujen ikkunaluukut suljettiin, jotta matkustajat eivät näkisi vuokra-alueelle. Lisäksi vaunuhin nousivat neuvostoliittolaiset sotilaspoliisit valvomaan järjestystä kauttakulun ajaksi. Vastaavasti Helsingistä tulleisiin juniin vaihdettiin suomalainen veturi ja ikkunaluukut avattiin. Toisella puolella vuokra-aluetta raja-asemana toimi Kauklahti.
Rantarataa Tähtelän asemalta 2016.Tähtelän asema vuonna 2021.
Porkkalan palautuksen jälkeen aseman merkitys väheni, ja vuonna 1963 se alennettiin laiturivaihteeksi. Vakituinen miehitys poistettiin 1968 ja siipiopastimet1969. Vuonna 1971 ratapihan Helsingin puoleiset vaihteet sekä toinen sivuraide purettiin, jolloin jäljelle jäi vain länsipäästä liikennöitävä pistoraide. Tavaraliikenne lopetettiin 1. lokakuuta1976 ja henkilöliikenne 1. tammikuuta1993. Suurin osa Tähtelän lukuisista rautatierakennuksista on yhä jäljellä.
