15 мая 2001 года Варшавский вокзал Санкт-Петербурга перестал быть объектом транспортного значения, все поезда дальнего следования были переведены на Витебский вокзал. В этом же году часть музейной экспозиции Центрального музея Октябрьской железной дороги (ЦМОЖД) со ст. Шушары была перенесена на территорию Варшавского вокзала, пройдя реставрационный ремонт силами более чем 40 линейных предприятий дороги.
Основу экспозиции составляют натурные образцы железнодорожной техники, собранные Октябрьской дорогой. Музей располагает коллекцией паровозов отечественной и зарубежной постройки, эксплуатировавшихся на дорогах России и СССР. Старейший экспонат коллекции — бак тендера паровоза 3.374, построенный в 1878 году. Наиболее старым паровозом отечественной постройки является паровоз Ов-6640 типа 0-4-0 Путиловского завода выпуска 1902 года. Советское паровозостроение представлено товарными паровозами серий Э, О, СО, ФД, Л, ЛВ, пассажирскими серий С, Су и П36, маневровыми серий 9П, Ь, БП.
Представлены и зарубежные паровозы Еа2201 (США) и ТЭ-6769 (Австрия в составе Германии) постройки 1944 года, а также финский паровоз 1943 года Тк3-1105, имевший на советских дорогах обозначение К5 и построенный на заводе Lokomo в городе Тампере.
Среди экспонатов музея — пассажирский паровоз Су 253-15, один из последних паровозов, обслуживавших движение на участке Новгород — Ленинград вплоть до введения тепловозов. Паровозы Су были наиболее распространенными пассажирскими паровозами.
Особое место в коллекции занимает паровоз П36-0251. Это последний в СССР пассажирский паровоз, построенный Коломенским заводом в 1956 году. Он был приобретен в Уссурийске, где использовался как котельная. В состав коллекции входят грузовые локомотивы серий ТЭ1, ТЭ2, ТЭЗ, М62, пассажирские ТЭ7, ТЭП10, ТЭП60, ТЭП70, маневровые ВМЭ1, ТГэ, ТГМЗ, ТЭМ1, ТЭМ5, ЧМЭ3.
К числу раритетов можно отнести магистральный тепловоз ТГ102-153 с гидропередачей, созданный на Ленинградском тепловозостроительном заводе в 1963 году, а также опытный образец — тепловоз ТЭ5-20-032, созданный Харьковским тепловозостроительным заводом в 1949 году для работы в районах Крайнего Севера. Представлены в коллекции электровозы серий ВЛ22М, ВЛ23, ВЛ8, ВЛ60 постоянного тока напряжением 3000 В.