台北機廠占地最廣的建築群，蝴蝶屋頂造型的連棟廠房中，除了客車工場，其實還包含車架、車件、貨車工場，皆是客貨車維修業務的重要場所。
客車工場位於廠區東南區域，1935年啟用的下枠、仕上、客車及貨車職場連棟建築，曾經是台鐵木造客車與貨車的檢修工場，戰後分別更名為車架、車件、客車及貨車工場。其中最南側的貨車工場業務已於1953年移交給高雄機廠，原場地用來進行木造客車鋼體化及客車新造作業。
1959年以美援經費在客車工場西側增建新車工場，負責鈑金及焊接等工作，提升鋼體化更新作業的效率，完成後又陸續進行外銷泰國守車等新車製造或組裝。1970年起台北機廠車輛製造的業務逐漸減少，新車工場遂於1978年更名為鈑金工場，整併全廠鈑金及焊接等作業。
建廠初期的車架工場位於客車工場連棟建築最北側，負責修製客、貨車的車架，1959年併入組裝及維修走行裝置的車件工場，業務包含車輪鏇削、壓製及轉向架檢修等。面對日漸提升的客運量，舊型轉向架修理設備已不敷使用，台鐵因此於1970年在車件工場西側增建轉向架維修場並添購相關設備。
客車及車件工場為一層樓的連棟建築，結構與組立工場相同，屋頂也同樣設置太子樓，以增進通風及採光。不同的是，藉由太子樓的造型組合成蝴蝶形屋頂，為客車工場的一大特色。太子樓裝設雙拉式玻璃窗，部分安裝抽風設備。