El nombre de la estación procede de Villalba, la denominación vinculada al barrio ferroviario del municipio de Collado Villalba. En el sistema de transporte actual aparece a menudo la forma más completa Villalba de Guadarrama, mientras que en Cercanías y en el uso cotidiano se abrevia habitualmente como Villalba.
Detrás de ese nombre breve está el topónimo municipal más antiguo Collado Villalba. Toponomasticon Hispaniae lo considera un compuesto castellano claro: collado es una elevación suave o un paso entre alturas, y Villalba está formado por villa y alba. La precisión especializada es importante: alba no tiene por qué ser una descripción literal de un lugar blanco, sino que puede tener un valor favorable, cercano a limpio, puro o próspero.
El nombre también encaja con la geografía. Collado Villalba se sitúa en la vertiente sur de la sierra de Guadarrama, en un valle amplio en torno al río Guadarrama y rodeado por sierras, lomas y cerros. La documentación histórica reunida por Toponomasticon recoge formas como Collado Villalba en 1517, Collado de Villalba en el siglo XVII y formas oficiales posteriores, lo que muestra que el nombre no nació con el ferrocarril moderno.
El tren sí transformó, sin embargo, la parte del nombre que más viajeros llegaban a ver. La documentación urbanística histórica de Collado Villalba señala la venta de terrenos en Navaluenga a la compañía ferroviaria en 1860 y explica que el ferrocarril, situado lejos del pueblo antiguo, generó un crecimiento rápido alrededor de la estación. Ese nuevo núcleo meridional pasó a conocerse localmente como La Estación, y por eso una estación llamada simplemente Villalba remite a un topónimo compuesto mucho más antiguo.
En la explicación pública, la explicación más segura es esta: la estación se llama así por Villalba, el barrio de la estación y forma ferroviaria de Collado Villalba, cuyo origen profundo es collado más villa alba. El papel de nudo ferroviario está documentado, con Villalba de Guadarrama en fuentes actuales de CRTM y Adif para el entorno de las líneas C-8 y C-10, pero si se necesita una fecha exacta de asignación del nombre conviene comprobar los expedientes o documentos de las compañías ferroviarias.