Построена в период 1897-1900 годов как одна из станций Забайкальского участка Транссиба. Принята в эксплуатацию 1 июля 1900 года.[2] До ввода в строй Кругобайкальского участка Транссиба 16 октября 1905 года, станция не имела сквозного железнодорожного движения по суше, а связь со средне-сибирской частью Транссиба осуществлялась посредством железнодорожного парома Байкал — Мысовая (остатки путевого развития подъездов к паромной переправе сохранились до сих пор). К моменту ввода в строй Китайско-Восточного участка Транссиба 1 июля 1903 года на станции были созданы таможенная застава и переселенческий врачебно-остановочный пункт.[3] С 16 октября 1905 года на станции осуществляется сквозное движение поездов по Транссибу.
В 2012 году начато строительство нового вокзального комплекса[4]. 5 августа 2017 года, в канун Дня железнодорожника, на станции Мысовая открыт новый вокзал, представляющий современное двухэтажное здание общей площадью более 1100 м², что в несколько раз превышает размеры старого вокзала 1908 года постройки. В здании предусмотрены все необходимые для пассажиров помещения: медицинский пункт, залы ожидания различной комфортности, билетные кассы, комнаты отдыха, в том числе отдельные для пассажиров с детьми.
Ориентировочно в 2017 или 2018 году было снесено старинное задние паровозного депо, которое стояло заброшенным с середины 2000-х годов.
Дальнее следование по станции
По графику 2020 года через станцию проходят следующие поезда:
↑Спутник по Дальнему Востоку : Забайкалье, Амурский край, Приморская область, Камчатка и Сахалин. Маньчжурия, Монголия, Китай, Корея и Япония. Города и порты : Адрес.-справ. отд. : Анг. и яп. слова и фразы : Планы важнейших городов... / Изд. С.М. Фоменко. - Харбин : тип. Кит. Вост. ж. д., 1910-1911. стр. 157