Alors que Connerré est déjà desservi par la gare de Connerré-Beillé sur la ligne Paris-Brest dès 1854, une nouvelle ligne reliant Mamers à Saint-Calais et passant au cœur du bourg est ouverte en 1872-1873. Une nouvelle gare est ainsi construite près de l'église, en 1872, selon les plans donnés en 1868 par l'ingénieur Alfred Faliès, chef du service technique de la compagnie du chemin de fer à Saint-Calais. L'implantation de la gare, au sud-ouest du centre-bourg, doit être prétexte à la création d'un boulevard arboré, l'actuelle avenue de Verdun. En 1870, des habitants demandent par une pétition la construction de la gare dans la perspective de la place de la République, avant de finalement se ranger au projet initial dans une seconde pétition : en effet, la nouvelle avenue "rendrait un grand service au quartier de Couasnon déjà assez déshérité et elle rendrait plus facile les arrivages des marchandises et des voyageurs venant par les routes du Breil et de Thorigné".

La jonction de Connerré à Châteaudun par une nouvelle voie de chemin de fer est proposée devant le conseil général de la Sarthe dès 1878 mais il faut attendre 1898-1900 pour voir la réalisation de la ligne Connerré-Courtalain (utilisant la ligne Mamers-Saint-Calais de Connerré à Thorigné-sur-Dué). Connerré se trouve ainsi au centre du réseau ferroviaire du nord-est de la Sarthe, entre Le Mans, Saint-Calais, Vibraye, La Ferté-Bernard, Mamers.

Toutefois, avec la concurrence de l'automobile, le trafic diminue considérablement et, à partir de 1965, les lignes Mamers-Saint-Calais et Connerré-Courtalain sont fermées aux voyageurs, le train ne transportant plus que des marchandises. Pendant quelques années, la gare désaffectée est utilisée par une coopérative agricole. Les deux lignes sont finalement fermées le 31 décembre 1977. Un tronçon du Mamers-Saint-Calais est partiellement remis en service pour le train touristique de l'association la Transvap entre Connerré-Beillé et Bonnétable. Devenue inutile, la gare de Connerré-bourg est démolie et remplacée par un complexe sportif et une salle polyvalente construits dans les années 1980-1990. Un monument commémoratif rappelle aujourd'hui le passage de l'ancienne voie de chemin de fer.

L'édifice était construit sur le même modèle que les autres gares de la ligne Mamers-Saint-Calais (par exemple, celle de Saint-Michel-de-Chavaignes, à proximité). La façade en pignon comptait deux travées, les façades latérales une seule. Les ouvertures en arc segmentaire, les pilastres d'angles et le bandeau étaient soulignés par un décor de briques. Une halle à marchandises en bois avec de larges avancées de toit était accolée. La toiture était couverte de tuile mécanique.