La composition de la gare de Martignat, dont l'emplacement est approuvé par la décision ministérielle du 17 novembre 1880, est fixée par celles des 16 août 1882 et 2 février 1883 : bâtiment des voyageurs correspondant au type de la compagnie du PLM (Paris - Lyon - Méditerranée) de " Bâtiment des voyageurs pour Station de 3e classe ", annexé à la circulaire ministérielle du 26 avril 1880, entrepôt (à 2 travées) au nord du type " Halle à marchandises de 10 m de largeur ", abri couvert, " lieux d'aisances " à 2 sièges, puits, deux trottoirs de 100 m de longueur chacun, quai couvert de 10 m et quai découvert de 15 m, grue de 6 tonnes.

La gare est bâtie entre le 28 mars 1883 et le 16 mai 1885. La première date est celle de l'adjudication du marché des maisons de garde et bâtiments des gares, pour la partie de la ligne située dans l'Ain, aux entrepreneurs Claude Bergeron, de Martignat, et Jean-Pierre Crépel, de Pougny (Ain). La seconde correspond à la date de mise en service du tronçon Oyonnax - La Cluse (un rapport de juin 1884 signale que sur ce tronçon, la construction des bâtiments est avancée). Déclassée en station dès 1888 (elle n'a plus de chef de gare), elle retrouve le statut de gare suite à la décision ministérielle du 24 juin 1924. Elle est désaffectée dans la deuxième moitié du 20e siècle (vraisemblablement au cours de la décennie 1970) et, en 1992, a été vendue à un particulier auquel elle tient lieu d'habitation. L'entrepôt de l'autre côté de la voie a été détruit, de même que le bâtiment à usage d'abri et lampisterie, remplacé par un petit abri métallique placé au sud.