斗南車站設於明治36年(1903),早期稱為「他里霧驛」,車站一側還有座大日本製糖株式會社他里霧停車場(五分車站),與斗南驛採雙鐵共構,即所謂的三軌設計,可以走五分車也可以走一般的火車,過去虎尾糖廠在製糖產量高峰時,透過糖鐵五分車將糖成品從虎尾運到斗南再運回日本。此外,早期雲林海線的許多貨物都是透過糖鐵轉運到斗南,再經縱貫線火車配送至全台各地,或外銷出口。當時斗南車站是台鐵唯一一做24小時運轉的車站,可見其忙碌程度。
大正9年(1920)日本人調整行政區域,將他里霧更名為斗南。他里霧驛也改成斗南驛,昭和20年(1945),斗南驛在度進行改建,成為日本人在台灣建造的最後一座車站。現在的站體為配合台鐵捷運化政策,將改建為跨站式站房,預計2020年12月31日完工。
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