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Los antecedentes de la llegada del ferrocarril a Elda se sitúan en los deseos de conectar Madrid con Alicante tomando como punto de partida la línea Madrid-Aranjuez y su prolongación hasta Albacete vía Alcázar de San Juan por parte de la Compañía del Camino de Hierro de Madrid a Aranjuez que tenía a José de Salamanca como su principal impulsor. El 1 de julio de 1856 José de Salamanca, que se había unido con la familia Rothschild y con la compañía du Chemin de Fer du Grand Central obtuvieron la concesión de la línea Madrid-Zaragoza que unida a la concesión entre Madrid y Alicante daría lugar al nacimiento de la Compañía de los Ferrocarriles de Madrid a Zaragoza y Alicante o MZA.2 Esta última fue la encargada de inaugurar la estación el 26 de mayo de 1858 con la apertura del tramo Almansa-Alicante. El viaje inaugural fue presidido por Isabel II. A pesar de ello, y según consta en los documentos oficiales de la compañía y en las Memorias de las obras públicas la puesta efectiva en servicio se realizó algo antes, el 15 de marzo de 1858. Inicialmente la estación se llamada simplemente Elda. En 1941 la nacionalización de ferrocarril en España supuso la integración de MZA en la recién creada RENFE.
Desde el 31 de diciembre de 2004 Renfe Operadora explota la línea mientras que Adif es la titular de las instalaciones ferroviarias.
En julio de 2010, se completaron en el recinto diversas obras de mejora de las instalaciones. Se añadieron ascensores que conectan cada uno de los andenes, marquesinas, se reformó el paso subterráneo y se dotó a la estación de un nuevo sistema de megafonía.
El 18 de junio de 2013, y con motivo de la puesta en marcha del tramo Albacete- Alicante de Alta Velocidad, dejó de prestar servicio el servicio Alvia Madrid-Alicante. Por primera vez en su historia, la estación de Elda-Petrel dejaba de estar conectada de una forma directa a la capital española vía ferrocarril.3