Станция названа по имени села Владыкино, располагавшегося на берегу реки Лихоборки. Первые упоминания о селе относятся к 1551 году, когда село фигурировало как Вельяминово, принадлежавшее роду Шуйских. В 1620-х годах селом владел князь Дмитрий Пожарский, глава народного ополчения, освободившего Москву от польско-литовских оккупантов. С 1653 года селом владел патриарх Никон. С этого времени село было переименовано во Владыкино. Здесь располагался "становой" двор патриарха. После упразднения патриаршества село постепенно пришло в упадок. Возрождение владения в 1720–1730-х годах связано с деятельностью архиепископа Псковского и Нарвского Феофана Прокоповича (1718–1725), которому Владыкино было отдано по указу Петра I и приговору Синода в 1722 году. После кончины Феофана село было отписано в Казенное ведомство.

К началу XX века в этом районе появилась станция Московской Окружной железной дороги для связи Окружной с Николаевской (ныне Октябрьской) ж/д и обеспечения обмена поездами с обеих сторон: при движении по кольцу – как по часовой стрелке, так и против нее. Поэтому соединительные ветви шли как от станции Лихоборы (№ 2 и 2а), так и от Владыкино (№ 3). Помимо этого станция была нужна для обслуживания дачных владений этой местности и промышленных предприятий, в частности красильно-набивной фабрики Су-Соколова и ткацкой фабрики Моргунова. Рядом с селом возник дачный поселок, где в течение многих лет жила семья актрисы Марии Николаевны Ермоловой. В 1919 году Владыкино вошло в черту Москвы.

Таким образом, от станции Владыкино начиналась соединительная ветвь № 3 к станции Ховрино Николаевской ж/д, а в ходе работ по сооружению второй очереди Окружной ж/д предполагалось связать ее ветвью № 4 с телеграфным постом Петровско-Разумовское Николаевской ж/д, что не было реализовано. Позднее, в конце 1941 года, появилась отдельная соединительная ветвь Владыкино – Бескудниково, построенная для снабжения советских войск, оборонявших Москву в районе города Дмитрова.

Вокзал станции Владыкино включал в себя отдельный малый зал для пассажиров I и II классов, большой центральный зал для пассажиров III класса, контору начальника станции, багажное отделение, телеграф и уборные. До наших дней сохранился ряд станционных построек начала XX века: пассажирское здание вокзала и будка центрального управления стрелками и сигналами. В настоящее время строения являются региональными объектами культурного наследия. Также при проведении натурных исследований была выявлена еще одна, ранее не учтенная в Городском реестре недвижимого культурного наследия постройка станции: товарная контора по адресу: Сигнальный пр., д. 14А – это единственное сохранившееся на кольце здание подобного типа.