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 Мих. Ив. 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.

Двухъярусный вагон производства вагоностроительного завода им. Егорова И. Е. (Ленинград). 1965 год.

Двухъярусные вагоны в России строили ещё до революции - в 1907 году на Сормовском заводе.

Никита Сергеич такие вагоны увидел в ГДР и они ему очень приглянулись.

Чтобы уважить первого секретаря ЦК КПСС МПС заказало в Ленинграде разработку подобных вагонов. Егоровцами был создан прототип туристического вагона, не полностью двухэтажного, имеющего купол для обозрения. Внизу спальные места - 28 мест, а наверху - обзорные места для сидения - тоже 28 мест.

Было сделано 16 вагонов. Они оказались не удачными и трудоёмкими в производстве: стёкла в окнах обзорного купола гнули вручную, верхний салон был тесным, кресла стояли близко друг к другу, через окна попадала вода (при дожде, например). Один вагон так и остался в Ташкенте в музее железных дорог Узбекистана - назад не было смысла его возвращать.

В зале №7 музея выставлены модели тепло- и электровозов.

Газотурбовоз ГТ101-001 в 1960 на Луганском заводе.

Из-за ряда технических недостатков, а также из-за сворачивания в стране работ по газотурбовозам, ГТ101 в серийное производство не поступил.

Электровоз "Владимир Ленин модернизированный" выпускался с 1947 по 1958.

Выпускался на Новочеркасском заводе. Один из лучших советских магистральных электровозов.

Электропоезд ЭР10-001 (электричка). 

Моторные вагоны строились на Рижском вагоностроительном заводе в 1960-1961. А прицепные вагоны - на Калининском вагоностроительном заводе. 

Предназначался для эксплуатации на наиболее загруженных пригородных направлениях. Эксплуатировался до 1974 года (из-за отсутствия запчастей).

Первый в мире тепловоз Гакеля. К строительству приступили в 1922 году в Петрограде на заводах "Красный Путиловец", "Электрик" и Балтийском судостроительном.

При строительстве тепловоза использовали дизель от подводной лодки "Лебедь" и генератор подводной лодки "Язь".

5 августа 1924 года из мастерской Балтийского судостроительного завода в Ленинграде в пробную поездку вышел первый в мире магистральный тепловоз. 5 января 1925 года тепловоз отправился из Ленинграда и, пройдя через Тихвин, Вологду, Ярославль, прибыл 16 января 1925 года в Москву, ведя за собой тысячетонный состав.

Макет железнодорожного моста через Енисей.

Опоры моста построили летом, а зимою на льду построили опалубку, и надвинули на неё заранее изготовленные фермы моста. Весною лёд растаял, и опалубка уплыла. Брёвна потом выловили.

В 1890 году этот макет вывезли в Париж на всемирную выставку, где он занял первое место. Второе место присудили макету Эйфелевой башни.

Стойка поездной диспетчерской связи CПД-5М. 1957 год.

Служащая Императорского телеграфа железных дорог России. 

Россия первая из стран начала привлекать женщин на квалифицированную работу (1860 год). Униформа введена в 1863 году. Юбка с кринолином и двубортная тужурка. На груди телеграфистки бант, схожий с высшим знаком различия женщин в Российской империи. Пуговицы и знак на банте выполнены в виде стрел (знак телеграфа) и опоясывающих его рожков (горнов) – знак почты. 

Данная униформа сшита в 1904 году. Носили её до двадцатых годов XX века.

Реконструкция униформы Лили Ивановой из Москвы. Из собрания Общества транспортной истории "Северный вокзал".

Макет поезда Царскосельской дороги. Масштаб 1:18.

Паровоз "Проворный", I класс- "Берлин", II - "Дилижанс", III класс - "Шарабан".

Фасад музея. 1902. арх. П. С. Купинский.