台北機廠的前身可溯自19世紀清代統治末期的「台北機器局」，原本位於現今北門城外鄭州路和塔城街一帶，是一座修理兵器的軍事設施。日本時代初期轉型為鐵路車輛維修的「台北鐵道工場」，隨著西部鐵路網絡建構完成，維修車輛基地的面積需求增加，因此選擇縱貫線上的興雅庄（松山區）作為新廠的設置地點。規劃佔地近20公頃的廠區，包括總辦公室、組立工場、鍛冶工場、客車工場、油漆工場等大型廠房建築，於1935年10月30日落成啟用，當時是台灣最具規模的鐵路車輛維修基地。
二次大戰期間，台灣鐵路飽受戰火攻擊，台北鐵道工場也數度遭受美軍炸彈轟炸，造成傷亡與廠區損傷，二戰後台鐵員工全力維持臺北機廠運作，並更名為台灣鐵路管理局台北機廠。1950年韓戰爆發，美國持續對臺灣提供經濟援助，台北機廠便在此援助計劃中新建了柴電工區與新車工場。曾維修過日本時代的蒸汽火車與各式客貨車，到1960年代的柴電機車以及1979年鐵路電氣化之後的各式電力機車與電聯車，台北機廠代表的也是台灣的鐵道發展史。 1997年起，台北機廠重新修復多輛蒸汽火車，讓傳奇再現。2013年遷廠前的編制為電力、柴電、車輛、修製4大場區與12個工場。隨著時代演進，都市環境變遷，台北機廠因應鐵路地下化、台灣高速鐵路營運路線等規劃，維修作業在2013年遷移至桃園楊梅富岡車輛基地後，舊廠正式走入歷史。
台北機廠不僅是我國現存最具悠久歷史且規模完整的鐵路車輛修理工廠，也是百年來見證臺北市區，從農業時代進入工業城市與商業城市歷程的重要場域。2015年台北機廠全區指定為國定古蹟，2019年8月成立「國家鐵道博物館籌備處」。這座累積跨世代工業技術傳承的工廠，正以國家鐵道博物館形式重生。