Станция открыта в 1895 году под названием Петровка, когда была проложена железнодорожная магистраль от Гребёнки через Ичню до станции Круты. На станции также расположено большое локомотивное депо Гребёнка. Поначалу это была обычная станция, но уже в 1897 году, после окончания строительства линии на Золотоношу, стала узловой. В 1901 году было полностью открыто движение поездов на линии Дарница — Полтава. В том же 1901 году станция и расположенное рядом с ней пристанционное селение получили современное название в память о Евгении Гребёнке, родившемся неподалёку в селе Марьяновка (Гребёнковский район).
В 1994 году станция была электрифицирована в составе 47-километрового участка Яготин — Гребёнка. На протяжении 1995—1999 годов была также электрифицирована и вся линия до Полтавы.
В настоящее время станция не утратила своего транспортного значения — на ней останавливается большинство поездов дальнего следования, а для электропоездов, следующих из Киева или Полтавы она является конечной. В железнодорожном узле Гребёнка сходятся линии: