Музей основан в 1813 году при институте Корпуса инженеров путей сообщений. Располагался музей во дворце князя Юсупова. Коллекции закупались за границей на ежегодно выделяемую сумму 5 тысяч рублей. Автором проектов некоторых моделей был ректор института Бетанкур А. А.

В 1823 году музей переехал на Обуховский проспект.

В 1829 году при институте была введена должность смотрителя за библиотекой и музеем.

В 1851 году музей перевели на первый этаж главного здания института. В 1859 году отметили пятидесятилетний юбилей института, в связи с чем обязали все организации, занимающиеся строительством, присылать в музей макеты, модели и чертежи построенных сооружений. В музей начали поступать не только модели паровозов, но и значимых гражданских сооружений, соборов, памятников.

Осенью 1862 года музей открыли для широкой публики.

Музей расширялся, коллекция его росла. Стало тесно, и музею передали ещё два зала.

Министр путей сообщения Хилков предложил основать в Санкт-Петербурге музей для железнодорожных моделей.

1902 в Юсуповом саду состоялось освящение и открытие музея, главным фасадом на Садовую улицу, ведомства путей сообщения им. императора Николая Первого (арх. П. С. Купинский).

В 1910 музею ведомства передали фонды музея института Корпуса инженеров путей сообщений.

1924- музей вновь открылся, а с 1928 начали обновлять фонды, появились ремонтные мастерские, открывались новые экспозиции, создали отдел местного транспорта.

Из состава Ленинградского института инженеров путей сообщений вывели отделения водного, автодорожного, воздушного сообщений. Музей в 1930 году переименовали в ленинградский институт инженеров железнодорожного транспорта (ЛИИЖТ). Часть экспонатов передали во вновь созданные институты. В 1931 году после неудачной попытки передать музей в ведение НКПС, директора учебных заведений не захотели заниматься экспонатами и решили ликвидировать музей. Вмешалась общественность. Однако и это не помогло.

1933 год – НКПС принял музей под своё крыло, и уже через год музей вновь принял посетителей.

1938 – музей вновь перешёл в ведение ЛИИЖТа. Были созданы действующие модели сортировочной горки и железнодорожного участка, оборудованного электрической централизацией и автоблокировкой.

В 1941 году ценные экспонаты музея эвакуировали в Новосибирск, и в 1944 они вернулись в родной музей.

1948 – музей открыл свои двери перед первыми посетителями.

1957- вся экспозиция прошла капитальную реставрацию.

1987- музей сменил статус и стал Центральным музеем железнодорожного транспорта Министерства путей сообщений.

В настоящее время в музее хранится свыше пятидесяти тысяч единиц хранения. Ежегодно десять – двенадцать выставок проводится.

В Красном селе в филиале Центрального музея работает музей “Отечественное мостостроение”. А в Лебяжьем создан “Натурный подвижной состав”, представляющий собою пятьдесят локомотивов.

К 170-летию железных дорог России (2007) восстановили и выставили вагон-салон императора Маньжоу Го - Пу И.

Эту модель в 1903 году государь-император Николай Второй подарил музею.

Модель американского паровоза Ад (П41) тип 2-3-0. С 1892 года этот паровоз выпускался на Коломенском заводе.

До музея хранился в Александровском дворце Царского Села.

Масштаб модели 1:10.

Модель паровоза серии Фн (Ферли), тип 0-3-0+0-3-0. 

Построен в 1879 году на заводе Зигля в Вене.

Первые Ферли поступили в Россию в 1871 году, и работали на Тамбово-Саратовской железной дороге. 

На на Поти-Тифлисской (Закавказской) железной дороге паровозы начали работать в 1872 году.

Макет поезда прямого сообщения, обслуживавшего Трансиб.

Помимо четырёх классов пассажирских вагонов, существовали и так называемые "служебные вагоны" ("салон-вагоны").

Они отличались прежде всего тем, что имели один тамбур, а с противоположного конца широкое торцевое окно и просторный на всю ширину вагона зал для заседаний, обедов, etc Площадь около 16 кв. м

Служебные вагоны как правило цеплялись в конце поезда, что давало возможность хорошего обзора окружающей местности из торцевого окна. Некоторые салон-вагоны в торцевой стенке имели выход на небольшой балкон, прикрытый крышей.

Площадь "генеральского" купе, где располагались кабинет и спальня главного лица составляла 8 кв. м

Здесь были широкий диван-кровать, письменный стол и шкафы. Купе соединялось с туалетом, в котором, помимо умывальника, была ещё и ванна. Из купе можно было попасть в салон.

Далее шли купе для офицеров сопровождения (адъютантов, ординарцев, денщиков) и охраны. Двухместные и четырёхместные купе. Общий туалет и купе стюардов и ремперсонала.Замыкала вагон кухня с огромной плитой.

В таких вагонах ездила партийная элита СССР.

Модель американского паровоза; тип 2-1-0, изготовлен на заводе Норриса. В тендере хорошо видны баки для воды.

Эту модель в 1840 году из научной командировки в Североамериканские штаты привёз инженер-генерал, профессор Мельников П. П.

Модель, действующая, сортировочной станции с механизированной горкой. 

Для формирования грузовых составов в пунктах зарождения массовых грузопотоков.

Первая сортировочная станция появилась в 1879 году в десяти верстах от Петербурга Николаевской магистрали.

В 1889 году в Ртищево (совр. Саратовская обл.) появилась сортировочная горка.

В 1934 году на станции в Красном Лимане (Донбасс) появилась первая сортировочная станция с механизированной горкой.

Модели ФД20 (вверху) и ИС20 (внизу).

“Иосиф Сталин”, пассажирский вариант “Феликса Дзержинского”. И так же, как грузовой его собрат, занял достойное место в истории отечественного паровозостроения. По тому времени это была машина была очень совершенная как в техническом, так и в эстетическом отношении. Удлинённый цилиндрический корпус паровоза с широкой короткой трубой производил впечатление стремительности, мощи, вызывал чувство восхищения. Локомотив любили рисовать художники: он появился на многочисленных открытках, почтовых марках, значках. О них писали в газетах и журналах, показывали в кинохрониках.

В 1938 ФД и его пассажирского брата – ИС отправили в Париж на всемирную выставку. ФД признали самым мощным европейским паровозом, а ИС – получил Гранпри. Среди пассажирских паровозов ИСы были вне конкуренции.

Как и ФД, ИСы оказались не экономичными, сложными в ремонте и в обслуживании, слабые железнодорожные пути не позволяли использовать эти паровозы на многих магистралях. Локомотивы были склонны к пробуксовке, но, благодаря своему названию, оставались вне критики.