2012年5月11日，《厦门市城市轨道交通近期建设规划（2011~2020年）》获中华人民共和国国家发展和改革委员会批准。厦门火车站被规划为厦门地铁1号线上的一座车站。此后，考虑到地铁建设对厦禾路快速公交高架桥结构及梧村地下商业街结构的影响，厦门市对该段线路规划方案进行调整，由厦禾路改线至湖滨南路，不再经过厦门火车站。

2014年3月1日，厦门火车站轨道交通土建预留工程随铁路厦门站改扩建工程同步开工建设。该工程建设内容包括厦门火车站南站厅、站台及折返线隧道。

2016年10月8日，《厦门市城市轨道交通第二期建设规划（2016~2022年）》获中华人民共和国国家发展和改革委员会批准，其中对厦门地铁3号线起点段进行局部改线，厦门火车站被调整为厦门地铁3号线岛内端起终点站。

2017年3月25日，厦门火车站北站厅主体工程进行围挡施工。

2020年1月23日，《厦门市城市轨道交通第二期建设规划（2016~2022年）调整方案》获中华人民共和国国家发展和改革委员会批准。其中显示，厦门地铁3号线新增南延段，自厦门火车站向南延伸至沙坡尾站。

2021年6月25日，厦门火车站随厦门地铁3号线首通段（厦门火车站—蔡厝站）开通而投用运营。