Dès 1865, la commune de Lencloître s'interroge sur l'opportunité de créer des chemins de fer vicinaux suite à l'inauguration de chemins de fer dans le Bas-Rhin à la fin de l'année 1864. Le maire précise que "le canton de Lencloître est un des plus fertiles du département, son agriculture, et son commerce, sa situation topographique même le rendent très important. Presque tous ses produits se vendent à Paris. Une voie ferrée qui relierait Lencloître à Châtellerault serait pour tout ce canton et autres circonvoisins une source de richesse. Le Conseil vient donc solliciter M. Le Préfet de prendre en considération les avantages immenses qui résulteraient pour Lencloître de l'exécution d'un semblable projet."

Le projet définitif du tracé d'une ligne ferroviaire reliant Loudun à Châtellerault et passant par Lencloître est approuvé en 1881 et les enquêtes parcellaires sont réalisées l'année suivante. 116 propriétés sont acquises pour permettre le passage des voies, la construction d'un bâtiment voyageur, d'une halle de marchandises et de deux passages à niveau au croisement de la route de Poitiers à Richelieu et de la route des Ormes.

L'inauguration a lieu le 19 septembre 1886 avec le passage du train ministériel : à cette occasion, la gare est décorée et pavoisée. Le soir du 19 septembre la mairie, la gare et la ville sont illuminés et un feu d'artifice est tiré. La mise en service intervient le lendemain.

Une bascule est installée en gare de Lencloître en 1893. La gare comporte le logement du chef de gare, un service de bagages, une salle d'attente pour les 1ère et 2e classes, une autre pour les voyageurs de 3e classe, une lampisterie et des toilettes. Elle est distante de la gare de Savigny de 6178 mètres et de celle de Saint-Genest de 2961 mètres. La gare de Cernay-Doussay est édifiée au début des années 1890 entre celle de Savigny et celle de Lencloître.

En tant que gare intermédiaire entre Loudun et Châtellerault, le trafic commercial et voyageurs y est important. Ainsi pour l'année 1929, 603 colis postaux sont expédiés et 3817 arrivent à Lencloître. 707, 5 tonnes de denrées partent de la gare (principalement des produits maraîchers et du chanvre) et 90.8 tonnes sont importés. Le nombre de voyageurs est de 24 586 personnes ce qui place Lencloître au 10e rang des gares les plus fréquentées sur les 40 présentes sur le réseau de l’État dans le département de la Vienne.

La gare est fermée au trafic voyageurs en 1946 puis au trafic marchandises à la fin des années 1980.

Les maisons de garde-barrière portant les numéros 37 et 38 sont vendues par la SNCF à des particuliers au milieu des années 1980 et transformées en maison d'habitation. Les barrières et portillons des deux passages à niveaux sont démontés en 1989 (n°38) et 1990 (n°37). Le bâtiment voyageur, la cour des voyageurs et la lampisterie sont achetées en 1989 par un propriétaire privé. Une voie verte a été aménagée sur l'ancienne emprise des rails. Le bâtiment voyageurs, la lampisterie, la halle de marchandises et les deux passages à niveaux sont toujours visibles.