Thành lập và những năm đầu tiên (2009–2014)

Ngày 27 tháng 12 năm 2008, các câu lạc bộ bóng đá từ Almaty Megasport và Alma-Ata thông báo rằng họ sẽ hợp nhất để tạo thành một câu lạc bộ mới.[6] Câu lạc bộ lấy tên là "FC Lokomotiv Astana" và Công ty Đường sắt Quốc gia Kazakhstan Temir Zholy trở thành nhà tài trợ.[6] Kazakhstan Temir Zholy liên kết với City Council of Astana để chuyển câu lạc bộ đến sân vận động mới ở thủ đô của Kazakhstan.[6] Vakhid Masudov trở thành huấn luyện viên trưởng đầu tiên của câu lạc bộ.[7] Câu lạc bộ được hưởng lợi từ nguồn lương cao nên có thể thu hút các cầu thủ danh tiếng đến với mình. Andrey Tikhonov và Yegor Titov là những cầu thủ đầu tiên đến từ Giải bóng đá ngoại hạng Nga.[8] Sau đó là nhiều cầu thủ khác như Patrick Ovie và Baffour Gyan. Maksim Shatskikh cũng gia nhập từ Dynamo Kyiv ở Giải bóng đá ngoại hạng Ukraina, vẫn là một cái tên nổi tiếng.[9] Đa số các cầu thủ còn lại gia nhập từ các câu lạc bộ khác của Giải bóng đá ngoại hạng Kazakhstan, hầu hết là chuyển nhượng tự do từ các đội bị hợp nhất thành đội bóng khác và các đội bóng bị phá sản năm ngoái.

Ngày 8 tháng 3 năm 2009, Lokomotiv thi đấu trận đầu tiên ở giải quốc gia với Kazakhmys ở Satbayev. Tháng Ba 2009, Vakhid Masudov được thay thế bởi Vladimir Gulyamkhaidarov.[10] Tuy nhiên, chỉ hai ngày sau khi bổ nhiệm, ông đã bị thay thế bởi chuyên gia NgaSergei Yuran.[10] Câu lạc bộ giành được vị trí á quân trong mùa giải đầu tiên thi đấu. Ngày 14 tháng 11 năm 2010, Holger Fach dẫn dắt Astana đến với chức vô địch Cúp bóng đá Kazakhstan đầu tiên.[11] Tuy nhiên, họ chưa được cấp giấy phép UEFA vì chưa đủ điều kiện đội bóng phải tồn tại ít nhất 3 năm.[12] Vì vậy đội bóng không thể tham dự UEFA Europa League 2011–12. Ngày 2 tháng 3 năm 2011, Astana đánh bại Tobol 2–1 và lần đầu vô địch Siêu cúp bóng đá Kazakhstan.[13] Năm 2012, Miroslav Beránek dẫn dắt Astana lần thứ hai vô địch Cúp bóng đá Kazakhstan.[14] Vào tháng 7 năm 2013, câu lạc bộ ra mắt châu Âu khi đá trận vòng loại thứ nhất UEFA Europa League với Botev Plovdiv. Astana thua cả hai trận, 0–1 ở sân nhà và 0–5 sân khách.[15][16] Ngày 4 tháng 7 năm 2013, Astana chính thức gia nhập Câu lạc bộ thể thao chuyên nghiệp Astana, một tổ chức mới thành lập được hỗ trợ bởi Sovereign Wealth Fund Samruk-Kazyna để kết hợp các đội thể thao chính ở Astana.[5][17]

Danh hiệu đầu tiên và thời đại của Stoilov (2014–nay)

Ngày 22 tháng 6 năm 2014, câu lạc bộ thông báo huấn luyện viên cũ của Botev Plovdiv Stanimir Stoilov được bổ nhiệm làm huấn luyện viên trưởng mới.[18] Trong chiến dịch bóng đá châu Âu 2014–15, Astana đá 4 vòng ở vòng loại UEFA Europa League. Ở Vòng Một họ đánh bại Pyunik 6–1 sau hai lượt trận, và tiếp tục thành công ở Vòng Hai, đánh bại Hapoel Tel Aviv 3–1 sau hai lượt trận nhời chiến thắng sân nhà thuyết phục.[19] Vòng loại thứ ba chứng kiến Astana vượt qua AIK, với tỉ số 4–1 sau hai lượt trận. Ở vòng play-off, Astana bị đánh bại bởi Villarreal.[20] Ngày 1 tháng 11 năm 2014, Astana trở thành đội vô địch Giải bóng đá ngoại hạng Kazakhstan lần đầu tiên trong lịch sử, sau trận thắng quyết định 3–0 trên sân nhà trước Kaisar.[21]

Ngày 1 tháng 3 năm 2015, Astana vô địch Siêu cúp bóng đá Kazakhstan 2015, đánh bại Kairat 3–2 trong loạt sút luân lưu sau hai hiệp kết thúc với tỉ số hòa 0–0. Ngày 26 tháng 8 năm 2015, câu lạc bộ trở thành đội bóng đầu tiên Kazakhstan vào vòng bảng của Giải vô địch bóng đá các câu lạc bộ châu Âu, khi đánh bại APOEL 2–1 sau hai lượt trận ở vòng play-off.[22][23] Họ được xếp vào Bảng C cùng với Benfica, Atlético Madrid và Galatasaray,[24] giành được 4 điểm sau 6 trận với 4 trận hòa và 2 trận thua.[25] Ngày 8 tháng 11 năm 2015, Astana lần thứ hai giành chức vô địch Giải bóng đá ngoại hạng Kazakhstan khi đánh bại Aktobe 1–0 trên sân nhà trong trận đấu cuối cùng.[26] Ngày 9 tháng 12 năm 2015, câu lạc bộ gia hạn hợp đồng với Stanimir Stoilov thêm 2 năm.[27]

Ở mùa giải 2016, Astana bị loại khỏi Giải vô địch bóng đá các câu lạc bộ châu Âu sau 2 vòng, khi bị đánh bại bởi Celtic ở vòng loại thứ ba. Tuy nhiên, câu lạc bộ vẫn giành quyền tham gia vòng bảng UEFA Europa League, khi đánh bại BATE ở vòng play-off. Ngày 26 tháng 10 năm 2016, Astana giành chức vô địch quốc gia thứ ba liên tiếp dưới triều đại của Stoilov. Ngày 19 tháng 11 năm 2016, câu lạc bộ vô địch Cúp bóng đá Kazakhstan 2016 sau khi đánh bại Kairat 1–0.