Såvel havn som overfart var afhængig af jernbanen. Landtransport med hest og vogn var trods landevejenes forbedring en langsommelig transportform. Derfor blev den udkonkurreret af jernbanen både til person- og godstransport. Der havde været planer om, at København-Roskilde banen fra 1847 skulle have gået helt til Korsør. Strækningen Roskilde-Korsør påbegyndtes dog først i 1852 af det private selskab Det sjællandske Jernbaneselskab. Den skulle have været færdig i 1854, men blev det først i 1856. Regeringen og rigsdagen havde et afgørende ord i spørgsmålet om banens anlæggelse. En diskussion om en nordlig eller en sydlig linjeføring til Korsør endte af besparelsesmæssige grunde med en linje nord om Korsør Nor, og banegården blev opført ved Amerikakajen.
Banen var enkeltsporet til 1899/1900. Umiddelbart efter åbningen var der tre togafgange i hver retning om dagen. Den ene var et godstog, der dog også medtog passagerer. For almindelige persontog var køretiden til København 3 14 time. Der var privatejede holdepladser i Forlev fra 1873 og i Svenstrup fra omkring samme tid eller før. Teglværkerne anlagde dem og drev dem endnu i 1886. Senere blev de overtaget af Statsbanerne. Staten overtog de sjællandske baner i 1880.
Tiden fra 1880’erne til 1920 var jernbanernes storhedstid. Transportbehovet var stort for de mange nye industrier, der skød op i byerne, og befolkningens rejsebehov øgedes. Omkring 1900 var der otte daglige passagerforbindelser frem og tilbage mellem Korsør og København. Efter at dampfærgehavnen i Korsør var taget i brug i 1883, kørte togene fra København først til færgehavnen og derefter til stationen. Herfra kørte de til færgehavnen og derfra til København. Rigsdagen havde allerede siden midten af 1890’erne drøftet en udvidelse af Korsør station. Sagen indgik i en hel række andre statsbaneprojekter disse år. Endelig blev en udvidelse vedtaget som en del af en lov i 1900. Det omfattende anlæg i Korsør byggedes 1903-07. Det omfattede bl.a. færgeleje, remise, viadukt over og tunnel under jernbanen, en elektrisk kulbane og en ny stationsbygning ved færgehavnen, så der ikke længere skulle rangeres frem og tilbage mellem station og færgelejer. Den hidtidige station blev godsbanegård. Efter 1.verdenskrig faldt både passagertal og godsmængde, og i den følgende tid svingede tallene i takt med konjunkturudviklingen.
 Som arbejdsplads havde jernbanen stor betydning for Korsør. I 1957 var 484 personer knyttet til stationen. Tallet havde været endnu større, for i årene umiddelbart før var omladehallen og en del af remisen blevet nedlagt.