Рештки поселення біля північно-східної околиці міста і розкопане в місті захоронення в кам'яній гробниці свідчать про заселення території та околиць Волновахи ще в епоху бронзи. Знайдена кам'яна статуя (баба) вказує на перебування в цій місцевості кочовиків.
Волноваху засновано на початку 80-х рр. XIX ст. у зв'язку з будівництвом Маріупольської дільниці (Оленівка—Маріуполь) Катерининської залізниці. Від земель селянської громади с. Платонівки (зараз входить у межі міста) було відрізано 156,1 десятини. Навесні 1880 року на цій ділянці, за 2 версти від села біля витоків річки Мокрої Волновахи (правої притоки Кальміусу) почали прокладати залізничну колію, збудували водокачку для забезпечення водою паровозів і кілька бараків для робітників. 16 березня 1881 року відбулося урочисте закладання будинку станції. Залізничній станції, а згодом і селищу присвоїли назву річки — Волноваха. 1 листопада 1882 року залізнична дільниця від Оленівки до Маріуполя була введена в дію.
Протягом перших двох десятиріч Волноваха залишалася невеликою лінійною станцією. Звідси відправляли, головним чином, хліб та сільськогосподарські продукти. Основним транзитним вантажем, який проходив через станцію до Маріупольського порту, було донецьке вугілля. Тільки у 1891 році його перевезли понад 11 млн. пудів. З кінця XIX ст. після розширення морського порту і будівництва металургійних заводів у Маріуполі, обсяг транзитних вантажів через Волноваху значно зріс. Це змушувало адміністрацію залізниці вводити деякі вдосконалення. Так, у 1891 році на дільниці Маріуполь—Волноваха—Ясинувата був встановлений телеграфний зв'язок. У 1895 році на станції Волноваха збудували невеличкий вокзал, а через рік — паровозне депо; у 1900 році між станціями Юзівка і Маріуполь (через Волноваху) було прокладено другу колію. Але пристанційне селище, що разом з с. Платонівкою входило до складу Миколаївської волості Маріупольського повіту Катеринославської губернії, зростало повільно. У перші роки тут було 3 бараки (казарми) і кілька будок колійних обхідників, навколо яких згодом виникли глиняні мазанки робітників. Навіть на початок XX ст., незважаючи на розширення станції, у селищі налічувалось тільки 45 будинків і жило близько 250 чоловік.
Важким було життя робітників-залізничників. У 1883 році середній заробіток робітника колійної служби становив 14,6 крб. на місяць. Не вистачало житла. Оскільки місцева водокачка подавала на станцію тільки технічну воду, питну завозили сюди раз на тиждень у цистерні із станції Сартана. За медичною допомогою жителі зверталися за 25 верст у с. Старогнатівку, де проживали дільничний лікар, фельдшер та акушерка, які обслуговували села 6 волостей. Лише кілька дітей залізничників відвідували земську початкову школу в с. Платонівці, відкриту в 1887 році.
1905 року введено в дію Другу Катерининську залізницю від станції Довгинцеве через Олександрівськ (Запоріжжя) і Пологи до Волновахи. Відтоді станція Волноваха стала вузловою, що сприяло її швидкому розвитку. Ще в 1904 році тут було споруджено нове приміщення паровозного депо на 8 паровозів, а в 1905 році — новий вокзал. У зв'язку з розширенням вузла чисельність робітників на 1908 рік зросла до 400 чоловік. Річний вантажооборот станції досяг 2 млн. пудів.
Тяжкі умови життя пробуджували робітників Волновахи до боротьби за свої права, за підвищення оплати праці. Особливо активними були їхні виступи у період жовтневого політичного страйку, що розпочався 10 жовтня 1905 року. Страйкували машиністи, робітники і службовці паровозного депо, станції та колійних служб, телеграфісти. Залізничний вузол завмер. Жандармське управління доповідало катеринославському губернатору про те, що з 13 жовтня припинився рух поїздів між станціями Олександрівськ і Волноваха.
Ще бурхливіше розгорталися події у грудні 1905 року. На заклик Бойового страйкового комітету Катерининської залізниці 8 грудня розпочався страйк залізничників Маріупольського відділення (Ясинувата-Маріуполь), до складу якої входила і станція Волноваха. 9 грудня припинився рух поїздів на Другій Катерининській залізниці - між станціями Волноваха і Олександрівськ . Щоб перерізати бойовим дружинам дорогу з Авдіївки і Ясинуватої на Волноваху і Маріуполь, 15(28) грудня, козаки розібрали залізничну колію між Юзівкою і Рутченковим, 17 грудня царський уряд оголосив Маріупольський та інші повіти Катеринославської губернії на військовому становищі, кинув війська і придушив виступ залізничників.
