Музей был открыт 30 октября 2017 года — в день празднования 180-летия железных дорог России. На площади почти 60 тыс. м2 разместились более 3,5 тысяч экспонатов, включая около 120 единицы подвижного состава — паровозов, тепловозов, электровозов, вагонов и другой железнодорожной техники. Музей расположился в двух корпусах, соединенных в единое пространство мостом и стеклянной галереей. Первый — здание бывшего локомотивного депо Балтийской (ранее Петергофской) железной дороги, построенное в 1850-х годах по проекту архитектора Александра Кракау, второй — здание, повторяющее это депо по форме, но значительно большее по размеру.
Нынешний музей ведет своё происхождение от Музея Октябрьской железной дороги, созданного в 1974–1978 гг. С 1986 года этим музеем велась работа по сохранению объектов железнодорожной техники. Редкие экземпляры собирали по всей стране, некоторые из них прибыли из ближнего и дальнего зарубежья. Собрание, созданное общими усилиями сотрудников музея и энтузиастов-любителей, представляет собой крупнейшую в России экспозицию натурного подвижного состава.
Гости могут увидеть настоящие раритеты. Паровоз С.68 — единственный в мире уцелевший паровоз серии С, который был спасён любителями железнодорожной старины. Разрез паровоза ЭР 791-81 — первый в России экспонат, построенный на базе настоящего паровоза и наглядно показывающий его внутренне устройство. Вызывают интерес экспонаты, связанные с событиями Великой Отечественной войны, паровоз ОВ 6640, и восстановленный по чертежам издания 1941 года вагон аптека-перевязочная военно-санитарного поезда. Здесь можно увидеть первый тепловоз, созданный в Советском Союзе, ЩЭЛ-1, и последний советский пассажирский паровоз П36-0251, а также самый быстрый в мире пассажирский тепловоз ТЭП80-0002. В экспозиции под открытым небом, среди прочих, можно увидеть первый скоростной электропоезд Советского Союза ЭР200-1, экспериментальный российский высокоскоростной поезд «Сокол-250» и боевой железнодорожный ракетный комплекс «Молодец».