1891 nahm die Isartalbahn von Thalkirchen aus ihren Betrieb auf, 1892 wurde die Strecke nach München hinein bis Sendling verlängert. Dort entstand 1892 ein Empfangsgebäude. 1895 wurde der Bahnhof Zielpunkt der ersten elektrischen Straßenbahn Münchens, die ihn mit der Innenstadt verband. Nachdem 1938 der Eigentümer, die Lokalbahn Aktien-Gesellschaft (LAG), verstaatlicht wurde und seit 1950 auch die Personenzüge der Isartalbahn über die Sollner Kurve zum Münchner Hauptbahnhof fuhren, verlor der Bahnhof seine betriebliche Bedeutung. Mit der Stilllegung des Streckenabschnitts zwischen Großhesselohe und Sendling wurde auch der Isartalbahnhof 1964 stillgelegt. Zwei Jahrzehnte war er ungenutzt und verwahrlost, seit Ende der 1980er Jahre wird er vom Regionalverband München der Johanniter-Unfall-Hilfe genutzt.