서대전역은 호남선과 대전선이 분기하는 역으로 대전광역시 서남부권 교통의 중심지이다. 서대전역은 1914년 1월 22일에 호남선 보통 역으로 영업을 개시하였고 1978년 1월 10일에 대전조차장서대전 간 복선 철도(複線鐵道)가 개통되었다. 1969년 12월에 신축 준공한 후 2003년 12월 1월에 신축 역사로 재건되었고 2004년 4월 1일에 호남선 케이티엑스(KTX)가 개통되면서 역사 증 · 개축이 이루어졌다. 과거에는 화물도 취급하였으나, 2008년 11월에 화물 취급 역이 중지되었다. 현재는 고속열차, 새마을호 및 무궁화호 열차가 정차하는 지역 간 철도역이나, 충청권 광역 철도(廣域鐵道) 1단계(계룡신탄진) 사업을 완료하는 2024년부터는 광역 철도 정차역을 겸한다.
서대전역사는 대전 조차장(操車場)을 기점으로 5.7km 떨어져 있다. 지상 3층 구조로 건축되었으며 지상 1층에 호남 본선 상선 2면, 하선 2면으로 이루어진 승강장이 자리 잡고 있다. 지상 3층에는 매표소와 함께 맞이방, 관광 안내소, 유실물 센터, 수유실, 카페, 식당, 편의점 등의 편의 시설이 자리 잡고 있다. 이 외에도 이동 편의 시설로 엘리베이터 4대, 에스컬레이터 7대와 환승 주차장(102면) 등이 설치되어 있다.
과거 일제강점기에 대전역(大田驛)과 서대전역은 항일 운동의 중심 현장이었다. 이를 기념하고자 2019년에 서대전역 광장 북동쪽에 대전 출신의 독립운동가이자 언론인인 단재 신채호(申采浩) 선생의 동상을 건립하기도 하였다. 서대전역사는 새의 날개를 형상화한 현대식 역사로 건축되었으며 내부 천장부와 전면에는 대형 유리창이 설치되어 있다. 인근에 있는 보문산(寶文山)에서는 대전광역시 시가지(市街地)를 한눈에 볼 수 있다.
서대전역에는 호남선과 전라선 열차가 정차하며, 고속열차뿐만 아니라 아이티엑스(ITX)-새마을과 무궁화호가 모두 정차한다. 2023년 9월을 기준으로 케이티엑스(KTX) 호남선은 상‧하행 각 6회(주말 7회), 케이티엑스(KTX) 전라선은 상‧하행 각 4회(주말 5회) 정차한다. 일반열차의 경우, 호남선은 상‧하행 각각 아이티엑스(ITX)-새마을 6회, 아이티엑스(ITX)-마음 2회, 무궁화호가 8회 정차하며, 전라선은 상‧하행 각각 아이티엑스(ITX)-새마을 2회, 아이티엑스(ITX)-마음 2회, 무궁화호 4회 정차하고 있다. 2022년을 기준으로, 여객 이용객 수는 총 326만 6,277명이며 이 중에서 하행(下行) 승하차 이용객은 총 160만 9424명, 상행(上行) 승하차 이용객은 총 165만 6,853명이었다. 호남선 고속철도 이용객 수는 총 94만 5629명으로 전체 이용객 수의 29%를 차지하였고 아이티엑스(ITX)-새마을은 약 22%(72만 8,040명), 무궁화호는 약 49%(159만 2,608명)를 차지하였다. 즉 서대전역 전체 이용객의 절반이 무궁화호를 이용하였다고 볼 수 있다.