Das heutige Dorf verdankt seine Entstehung dem Bau der Eisenbahnlinie Aarau – Olten – Emmenbrücke im Jahre 1856. Bis dahin war hier grüne Wiese, mit den Weilern Adelwil, Büezwil, Gottsmänigen und Rank im unmittelbaren Umfeld. Man entschied, den Bahnhof für Neuenkirch und Sempach in der Mitte zwischen den beiden Dörfern zu bauen. Bald entstanden neben dem Bahnhof ein Wirtshaus und ein paar Läden sowie eine Käserei für die umliegenden Milchbauern. Die beiden landwirtschaftlichen Genossenschaften von Neuenkirch und Sempach nutzten die Möglichkeit, ihre Futtermittel per Bahn anliefern zu lassen und bauten die ersten gewerblichen Bauten in Sempach Station. Ansonsten blieb es bis in die Mitte des 20. Jahrhunderts bei den wenigen Häusern.
Bis zur Absenkung des Pegels des Sempachersees um 1.8 m im Jahre 1806 verlief die Strasse von Sempach nach Neuenkirch über Gottsmänigen – Adelwil – Paradies. Bis dahin reichte dessen Ufer bis an die heutige Kantonsstrasse.
Als seinerzeitige Grenzen der Kirchgemeinden – diese sind älter als die politischen Gemeinden – legte man die Grenze auf die Luftlinie zwischen dem Schloss Wartensee und der Kapelle Adelwil. Die Bauernhöfe von Adelwil und Gottsmänigen kamen zur Kirchgemeinde Sempach, weil der alte Weiler Adelwil schon immer nach Sempach orientiert war und die dortige Kapelle von der Pfarrei Sempach betreut wurde.
1956 kaufte der Chemiker Dr. Marcel Ebnöther an der Eichenstrasse Land, um darauf seine neue Klebstoffproduktion einzurichten. Er profitierte von der Möglichkeit eines werkseigenen Gleisanschlusses. Er legte dort den Grundstein für die heutige Firma Collano und ihre Schwesterfirmen an der Neulandstrasse. In den 1970er- und 1980er-Jahren siedelten hinter den beiden "Landis" immer weitere Gewerbe- und Industriebetriebe an, so dass sich dort ein eigentliches Industriegebiet zu entwickeln begann.
Nachdem 1969 auch noch ein Schulhaus gebaut worden war, begann die Entwicklung zum Wohnort, zunächst entlang der Sempachstrasse, später auch an der Bahnhof- und Schulhausstrasse und gegen Ende des 20. Jahrhunderts an der Eichenstrasse sowie die Einfamilienhaussiedlung im Gebiet Waldweid-Schlichti, wo man eine herrliche Seesicht geniesst. Nach dem Bau der Umfahrungsstrasse mit Überführung über die Bahngleise 2013 wurde beim Kreisel Mettenwil die Überbauung Seepark erstellt.
Mitte Dezember 2013 wurde die noch fehlende Busverbindung von Neuenkirch zum Bahnhof Sempach-Neuenkirch eingeführt.
In Sempach Station befinden sich die beiden historisch wertvollsten Kulturgüter der Gemeinde: Schloss Wartensee, dessen Vorgängerbau, der Sitz des Seevogts, im Sempacherkrieg zerstört worden war. Dieser hatte von dem hoch über dem See gelegenen Schloss aus die Aufsicht über den Seeverkehr zwischen Sursee und Sempach ausgeübt. Der heutige Bau stammt aus dem Jahr 1524 und wurde 1991 fachgerecht restauriert. Das Schloss befindet sich im Privatbesitz der Familie Rösli vom Hof Wartensee.
Als zweites kulturhistorisches Kleinod gilt die aus dem 17. Jahrhundert stammende Kapelle St. Gallus und Einbeth in Adelwil, eine beliebte Hochzeitskapelle.
Die Wohnsiedlung Seepark, die drei Supermärkte (Landi, Migros und Aldi) sowie die gute Verkehrsanbindung machen Sempach Station zu einem attraktiven Wohnort.
Der Ortsteil Sempach Station zählte am 31. Dezember 2021 1'428 Einwohner.