Awalnya Stasiun Arjawinangun memiliki tiga jalur kereta api dengan 2 merupakan sepur lurus.[4] Setelah dibangunnya jalur ganda Telagasari–Cirebon pada tahun 2007,[5] jalurnya bertambah menjadi lima dengan jalur 2 dijadikan sebagai sepur lurus arah Cirebon saja, sedangkan jalur 3 dijadikan sebagai sepur lurus hanya untuk arah Cikampek. Seluruh jalurnya memiliki sinyal berangkat, kecuali jalur 5 yang biasanya dipergunakan untuk memarkir rangkaian proyek maupun melakukan bongkar muat semen atau kricak yang akan diangkut ke gerbong terbuka.
Pada tahun 2019 dilakukan penataan besar-besaran pada diagram jalur stasiun ini dalam rangka pengembangan stasiun ini sebagai stasiun KA barang.[6] Emplasemen stasiun sedikit diperpanjang dan jalur 5 dijadikan sebagai sepur belok. Selain itu, di dekat pintu utama bangunan stasiun dibangun Depo Gerbong beserta jalur-jalur parkir gerbong kereta barang yang dibuat bercabang di dekat ujung timur jalur 1. Sejak saat itu pula stasiun ini berubah dari yang semula merupakan stasiun sisi menjadi stasiun pulau.
Pada tanggal 20 Mei 1994, pukul 02.23 WIB, KA Tegal Arum tujuan akhir Stasiun Tegalbertabrakan dengan kereta api Senja Ekonomi Solo–Jakarta yang sedang berhenti untuk menunggu persilangan di Stasiun Arjawinangun. Dua lokomotif yang terlibat, BB 203 25 dan CC 201 30 (CC 201 78 02) mengalami kerusakan yang sangat parah. Peristiwa ini juga menyebabkan 10 orang tewas, 50 luka parah, dan 60 luka ringan.[8]
