Der Bahnhof Hartmannshain wurde nach Plänen des historistischen Architekten Ludwig Hofmann aus Herborn errichtet und am 1. April 1906 mit dem letzten Abschnitt der sog. Oberwaldbahn von Gedern nach Grebenhain eröffnet. Damit war die Strecke Glauburg – Lauterbach durchgehend befahrbar. Mit seiner Lage auf 572 m über NN war der Bahnhof Hartmannshain der höchstgelegene Bahnhof des Großherzogtums Hessen bzw. Hessens.

Seit 23. Dezember 1934 war der Bahnhof mit drei weiteren Gleisen Anfangs- bzw. Endbahnhof der Vogelberger Südbahn (Hartmannshain – Wächtersbach), die von der Vogelsberger Südbahn AG als Privatbahn betrieben wurde.

In den 1920er und 1930er Jahren spielte der Bahnhof eine wichtige Rolle für den Sommer- wie den Wintertourismus aus dem Rhein-Main-Gebiet. Diese Funktion blieb auch in den 1950er und 1960er Jahren erhalten. Nachdem zunächst die Vogelsberger Südbahn stillgelegt worden war, wurde der Personenverkehr auf der Oberwaldbahn 1975, der Güterverkehr am 29. Mai 1976 eingestellt und die Strecke aufgegeben. Der ehemalige Bahnhof steht as Kulturdenkmal unter Denkmalschutz.

Unmittelbar östlich des Bahnhofs überspannt eine einbogige Straßenbrücke aus Vulkanstein die Trasse der ehemaligen Bahnlinie. Mit Mitteln der Deutschen Stiftung Denkmalschutz, des Landes Hessen sowie privaten Spendengeldern soll die Brücke saniert werden.