La gare de Bessé-sur-Braye est initialement placée sur la ligne d'intérêt local de Saint-Calais à Château-du-Loir. La construction de cet itinéraire est concédée par l'État à la Compagnie du chemin de fer d'Orléans à Rouen, par convention passée en 1872 avec le département de la Sarthe. Son aménagement est déclaré d'utilité publique en avril 1874 et le projet définitif est établi en 1875. Les terrains nécessaires sont achetés entre 1877 et 1879, tandis que les plans des bâtiments ferroviaires sont signés le 25 janvier 1877 par l'ingénieur de la compagnie A. Brière ou Buère (?). La reconnaissance des travaux est réalisée le 24 mars 1879, et la ligne est mise en service au 31 mars 1879. Simultanément, une autre ligne d'intérêt local, de Brou à Saint-Calais, est ouverte par la même compagnie, par convention avec le département du Loir-et-Cher.

Rapidement, le développement du réseau local dans l'ouest de la France pousse nombre de politiques, industriels, commerçants, producteurs, à demander au gouvernement de lui donner "une organisation normale et rationnelle". C'est ainsi que dès 1883, les deux lignes d'intérêt local Brou - Saint-Calais et Saint-Calais - Château-du-Loir sont rétrocédées à l'État pour constituer un des jalons d'une grande ligne reliant Chartres à Bordeaux. Ce nouvel itinéraire résulte de l'agrégation de dix sections d'intérêt souvent local ouvertes à partir des années 1870. Construit en 1883-1884, un raccordement au nord du bourg de Bessé permet le rattachement direct de la ligne venant de Brou, évitant ainsi Saint-Calais. Cette dernière ville s'y rattache néanmoins par l'ancien tronçon Saint-Calais - Bessé, desservant également Saint-Gervais-de-Vic et La Chapelle-Huon (portion qui sera fermée aux voyageurs dès 1938, puis aux marchandises en 1942). La ligne de Chartres à Bordeaux est inaugurée le 11 juillet 1886, date d'achèvement du viaduc de Chenu.

La gare de Bessé est un bâtiment de voyageurs dit de quatrième classe, de 15 m de long sur 8 m de large, comprenant au rez-de-chaussée une salle d'attente, un bureau ainsi que l'escalier donnant accès au logement du chef de gare à l'étage, avec cuisine, office, salle à manger et deux chambres avec cabinets. Un abri pourvu de sanitaires, aujourd'hui disparu, permettait aux voyageurs d'attendre le train de l'autre côté de la voie. Le site accueille également la grande halle à marchandises de 36 m sur 10 m, une lampisterie et un magasin (construits en 1885 et 1887 d'après les matrices cadastrales), une grue d'une force de 6000 kg, un pont à bascule de 10 tonnes. On comptait également sur la commune dix maisons de garde barrière dont une est encore visible à proximité, au passage à niveau de l'avenue de la Gare. Le quai et la gare sont agrandis vers 1905 : on ajoute alors deux ailes en rez-de-chaussée, correspondant à de nouveaux guichets et salle d'attente. L'importance du trafic de voyageurs devait également justifier l'installation d'équipements commerciaux, tels un kiosque-buffet en 1904 ou un distributeur automatique de parfums en 1909. L'éclairage au gaz est mis en place dès 1900. Les silos de la coopérative agricole de la Sarthe sont construits à partir de 1964.

Depuis 1938, date de la création de la SNCF, la ligne électrifiée Paris-Bordeaux par Orléans, Tours et Poitiers, mieux équipée et desservant de plus grandes villes, est préférée à la ligne Chartres-Bordeaux passant par Saumur et Niort. Pour des raisons d'économies, elle n'est alors utilisée que pour la desserte régionale. Plusieurs sections sont progressivement fermées au trafic des voyageurs à partir de 1970, dont la portion de Courtalain à Château-du-Loir (incluant Bessé) en 1971. Finalement déclassée par la SNCF, la portion de ligne de Château-du-Loir à Bessé-sur-Braye (33 km) est aujourd'hui en cours de transformation en voie verte dans le cadre du projet "La Sarthe à vélo". Vendue, la gare est devenue maison d'habitation.