Lempäälän rautatieasema oli yksi Hämeenlinnan ja Tampereen välisen rataosan IV luokan rautatieasemista samanaikaisesti sen kanssa 22. kesäkuuta 1876 käyttöön otettujen Parolan, Kuurilan ja Viialan asemien ohella. Näistä Lempäälä on ainoa, jossa alkuperäinen asemarakennus on säilynyt nykypäiviin saakka. Lempäälästä oli muodostunut liikenteen solmukohta jo ennen rautatien tuloa, kun Lempäälän kanava oli valmistunut vuonna 1874. Ennen Toijala–Valkeakoski-radan rakentamista ainoa maayhteys pääradan varresta Valkeakoskelle kulki Lempäälän kautta. Lempäälän aseman alkuperäisenä nimenä oli vuoteen 1897 saakka Lempoinen (ruots. Lembois).

Lempäälän vanha vuonna 1876 valmistunut asemarakennus on säilynyt mutta ei enää alkuperäisessä käytössä. Rakennuksen suunnitteli arkkitehti Knut Nylander ja sitä laajennettiin Bruno Granholmin piirustusten mukaan vuosina 1908 ja 1922. Nykyisin Lempäälän kunnan omistamalla vanhalla asemalla toimii Lempäälän käsityökeskus ja Ratapuoti. Vastapäätä vanhaa asemaa radan toisella puolella sijaitsi aikanaan myös puinen tavaramakasiinirakennus, joka purettiin 1980- ja 1990-lukujen vaihteessa. Tavaraliikenne Lempäälän asemalla lopetettiin vuonna 1993.

Lempäälän vanha rautatieasema on suojeltu Rautatiesopimuksella. Asemakaavassa sitä koskee suojelumerkintä sr.