สถานีตำรวจภูธรธงชัย จัดตั้งขึ้นเมื่อ พ.ศ.2511 กรมตำรวจได้จัดสรรงบประมาณก่อสร้างอาคารที่ทำการ จำนวน 1 หลัง และบ้านพักเป็นไม้ชั้นเดียวให้แก่ข้าราชการตำรวจ จำนวน 10 คูหา แบบชั้นครึ่งจำนวน 10 คูหา อยู่บนเนื้อที่ประมาณ 3 ไร่ เลขที่ 233 หมู่ที่ 3 ตำบลธงชัย อำเภอบางสะพาน จังหวัดประจวบคีรีขันธ์ โดยได้รับการบริจาคที่ดินจาก นายสมจิต ธรรมวิจิตร กำนันตำบลธงชัย และในปี พ.ศ. 2530 ได้โอนที่ดินดังกล่าวให้กับราชพัสดุจังหวัดเป็นที่ถูกต้องเรียบร้อย
ต่อมา กระทรวงมหาดไทยได้ประกาศจัดตั้งเป็นสถานีตำรวจภูธรธงชัย และมีอำนาจในการสอบสวนรับผิดชอบพื้นที่ปกครองเมื่อวันที่ 1 ตุลาคม 2530 เป็นต้นมา โดยให้มีข้าราชการตำรวจชั้นสัญญาบัตร ตำแหน่งสารวัตรเป็นหัวหน้าสถานี และเปลี่ยนแปลงเป็น ตำแหน่ง รองผู้กำกับการเป็นหัวหน้าสถานี และใน ตุลาคม ปี พ.ศ. 2550 ได้เปลี่ยนเป็น ตำแหน่ง หัวหน้าสถานีตำรวจภูธรธงชัย เป็นตำแหน่ง สารวัตรใหญ่ เป็นหัวหน้าสถานี ต่อมา ในเดือน กุมภาพันธ์ 2555 ได้รับการยกฐานะเป็น สถานีตำรวจ ที่มีหัวหน้าสถานี เป็นระดับ ผกก.จนถึงปัจจุบัน
