Станция Воробьевы горы расположена рядом с левым берегом Москвы-реки, в центре бывшей Лужнецкой поймы. Исторически она находилась на землях Хамовнического поля и бывшего Вавилонского сада, который принадлежал Новодевичьему монастырю.

Изначально станция служила для обмена вагонами с Московско-Брянской железной дорогой. Управление соединительной ветвью осуществлялось через пассажирское здание остановочного пункта Потылиха, совмещенное с исполнительным постом. Этот пост получал команды от дежурного по станции Воробьевы горы и переключал стрелки в нужном направлении.

С развитием промышленности в Лужниках и Хамовниках Воробьевы горы стали одной из крупнейших станций Окружной железной дороги. Рядом с ней, на месте современного стадиона "Лужники", располагались судоверфь и лесные склады с обширной сетью подъездных путей. Напротив Андреевского монастыря находился военный завод "Союз", производивший авиационные двигатели и также имевший подъездные пути. В сторону центра города шли пути к заводам "Каучук" и фабрикам на Саввинской набережной, проходившие под Краснолужским мостом и между набережной и прудом у Новодевичьего монастыря. В 1956 году Воробьевы горы получили систему электрической централизации стрелок и сигналов, даже раньше, чем главная станция Окружной, Лихоборы.

Расположение станции на низком берегу Москвы-реки потребовало создания высокой насыпи для защиты от наводнений. Это привело к строительству двухэтажного вокзала и размещению платформы с пассажирским дебаркадером и залами на втором уровне. Для выхода к путям использовался ажурный металлический мостик с навесом.

Дебаркадер представляет собой пешеходный мост консольной системы. В современном виде на нем установлены фонари, которые не являются оригинальными. Столбы, на которых они закреплены, ранее поддерживали навес дебаркадера, а после его демонтажа стали использоваться как опоры для фонарей.

Большое здание вокзала вместило в себя почти все станционные постройки: жилые помещения для служащих, контору начальника станции, телеграф и единственный на кольце буфет. Интересно, что фасады здания симметричны, за исключением центральной части, где из-за размещения дебаркадера пришлось отказаться от арочного окна.

В 1975 году станция Воробьевы горы стала местом съемок железнодорожных сцен детского фильма "Меняю собаку на паровоз". В фильме показаны вокзал и работа станции, где постоянно проходят тяжелые грузовые поезда с тепловозами ТЭ3.

В 1990-е годы путевое развитие станции было демонтировано, оставили только два главных пути. Сегодня на этом месте находится эстакада Третьего транспортного кольца.