Da Frederikssundbanen i 1879 blev ført gennem området, blev stationen anlagt på bar mark dér, hvor jernbanelinjen krydsede Roskilde-Hillerød-landevejen. Herved opstod Ølstykke Stationsby, mens den oprindelige landsby herefter blev kaldt Ølstykke By, fra 1930 Gammel Ølstykke. Ølstykke Kro med rejsestald nordvest for banen åbnede i 1880, og i 1888 blev Langager Andelsmejeri etableret. Skenkelsø Mølle, der ligger i den nordlige del af byen, blev bygget i 1891 som kornmølle. I sidste halvdel af 1800-tallet kom der også lægepraksis og mindre håndværksvirksomheder i Ølstykke Stationsby. Der blev endvidere anlagt villabebyggelse tæt på stationen.
Hovedvejen gennem Ølstykke Stationsby var hovedfærdselsåren mellem Roskilde og Hillerød. Bebyggelsen langs vejen bestod af byhuse i halvanden etage, beboet af flere familier. Området omkring stationen var præget af veje med villaer opført af lokale håndværkere. Nord for stationen var der især håndværksvirksomheder.
I Ølstykke Stationsby fandt den første større udstykning sted 1958‑59, hvor ejerne af gårdene Ørnebjerg, Karmsten og Vejsten solgte jord til et byggekonsortium i området vest for hovedvejen. Byen fik nyt rådhus og bibliotek, der blev indviet i hhv. 1970 og 1971.
Indbyggertallet i Ølstykke Stationsby voksede fra 287 i 1921 til 4.293 i 1970. I 2007 var befolkningstallet vokset til 14.188. Væksten gav anledning til byggeri af nye skoler: Toftehøjskolen åbnede i 1967 og Maglehøjskolen i 1974. Aktivitetscenter Tofteparken åbnede i 1987 som mødested og aktivitetscenter for ældre. Ølstykke Stationsby blev i 1989 station på S-togslinjen mod Frederikssund. Midt i byen rejstes i 1991 Udlejre Kirke, der også kan bruges til møder m.m.
Fra 1970 og indtil Strukturreformen i 2007 var Ølstykke Stationsby kommunecenter i Ølstykke Kommune.
