2007年 10月14日(鉄道の日)に開業。それまで万世橋(秋葉原)にあった交通博物館が老朽化、手狭になったことから、大宮総合車両センターの一部を利用している。交通博物館にあった鉄道関係の展示物のほとんどを引き継いでおり、開館にあたっては、それまで主にJR東日本や東日本管内で活躍してきた車両を集め展示しているが、東日本以外からもJR西日本から0系新幹線や、JR貨物からEF66・コキ50000・レムフ10000のほか、津軽鉄道やアルピコ交通などから車両を譲り受けている。

2018年夏には予定より規模を縮小した状態で南館が開業。400系新幹線とE5系新幹線(モックアップ)が追加された。

主な展示車両

蒸気機関車

150形
- 日本の鉄道創業時に使われた通称「1号機関車」。鉄道記念物ならびに国の重要文化財指定。
1292形(善光号)
- 鉄道記念物指定
7100形7101号(弁慶号)
- 鉄道記念物指定
9850形9856号
- 現存する唯一のマレー式機関車
C51形5号
- 青梅鉄道公園より移転
C57形135号
- 交通博物館で展示されていた、日本最後の定期旅客列車を牽引した蒸気機関車。

電気機関車

ED40形10号
- 準鉄道記念物ならびに国の重要文化財指定。
ED17形1号
EF55形1号
- 準鉄道記念物指定
EF58形61号、89号
- 61号は2022年より入口脇の特設スペースにて展示されている。
ED75形775号
EF66形11号

ディーゼル機関車

DD13形11号
- EF55と入れ替わりで2015年4月12日から2017年3月17日まで展示を中止していた。2017年3月18日より屋外で展示再開。

客車

20系ナハネフ22形1号
オハ31形26号
- 津軽鉄道より寄贈
開拓使号
- 鉄道記念物指定
1号御料車
2号御料車
7号御料車
8号御料車
- 女官室のみ復元展示
9号御料車
10号御料車
12号御料車

※展示の御料車は8号を除いて鉄道記念物指定で、ガラスケース内に展示されている。

電車

101系クモハ101形901号
485系クハ481形26号+モハ484形61号
181系クハ181形45号
455系クモハ455形1号
- 車内は格下げ改造されたままの状態である。
40系クモハ40形74号
- 車内のATS-Pの筐体が置かれていたところの座席は復元されていない。
ナデ6141号
- 鉄道記念物ならびに国の重要文化財指定
ハニフ1号(元・デ963形で初の国電)
- アルピコ交通より寄贈。アルピコ交通の前身・松本電気鉄道時代より電車時代の姿への復元が何度も見積られたり検討されたりしていたが、老朽化などの事情からそのままの姿で展示されている。

気動車

キハ41000形307号
キハ11形25号
- 茨城交通より購入。

新幹線電車

0系21形2号、25号
- 25号は交通博物館の屋外に展示されていたカットモデル
200系222形35号
E1系E153形104号
400系411形3号
E5系(モックアップ)

貨車

コキ50000形50000号
レムフ10000形10000号

その他

プロムナードにはD51形426号のカットモデルと、167系のモックアップなどが展示されている。
館内には松山人車軌道の人車や京都市電で用いられたN電の台車なども展示されているほか、リニア・鉄道館の開館までは国鉄バス第1号車も展示されていた。
屋外展示で183系1000番代・189系と455系が設置されている(飲食・休憩用)。開館当初は館内の485系や455系の車内で飲食が可能であったが、汚損を防ぐためか2008年より183・189系が搬入され、こちらへ移された。
キッズゾーンには103系クハ103形713号のカットモデルが置かれている。元々はこちらで職場体験ができ、103系は車掌業務体験用の筐体であった。キッズゾーンへの転用にあたり、前面の手すりはすべて撤去され塗装も変更されている。
開館前に発表されたイメージパースでは、D51形187号(当初はこちらが館内中央に設置されるはずであった)やDD51形、キハ58系、583系の姿も描かれていたが、残念ながらこれらの収蔵は見送られている。また、開館後も253系クロ253-1などが収蔵候補として各車両センターで保管されている(た)が、実際に収蔵された400系新幹線を除いて今後の見通しなどは不明。