因應台鐵動力柴油化進程，1962年柴電工場落成。此建築由多座工場共構，中間最高者為柴電工場，北側次高的是內燃機工場及電二工場，南側較低矮的場域分別為檢查線、氣軔室、辦公室等隔間。因空間不足，增建轉向架維修場。
階梯形的工場建築
興建之初的柴電工場主體建築平面呈L型，其中內燃機工場及電二工場長約114.48公尺，太子樓挑高17.43公尺；柴電工場長約84.26公尺，太子樓挑高20.24公尺。建物橫向總共四跨距，寬度由北至南分別為23.90、24.06、7.30及6.93公尺，其中較寬的兩跨使用預力混凝土大梁，其餘則為鋼筋混凝土，構成大跨距且挑高的檢修空間。
平屋頂由預鑄鋼筋混凝土ㄇ形蓋板拼接而成，底下的支撐結構以預力混凝土梁及鋼筋混凝土柱梁，有別於日本時代台北鐵道工場慣用的鋼骨桁架鋼筋混凝土屋頂版牆版構法，乘載屋頂版之重量。屋頂中軸挑高設置太子樓，側面交錯設置鋼窗及木製百葉窗，既增加採光也能提高通風性。
預鑄工法的應用
柴電工場屋頂的預力混凝土大梁採用預鑄工法，先在營造廠完成製作，再運至工區吊掛組裝，可降低工程難度、風險並縮短工期，常用於大跨距的建築空間。
建築設計考量自然採光
柴電工場設有大面積的玻璃窗以增加自然採光，減少能源損耗，部分利用橫拉窗排列而成，為方便開啟，上下窗戶採用連動設計。
動力柴油化基地
台鐵在1958年首度以美援經費採購柴電機車R0型，隔年再度採購柴電機車R20及S200型，為滿足即將湧入的大量檢修需求，規劃於台北機廠興建柴油車輛維修中心。考量整體的檢修動線，位置安排於總辦公室西側場域，並為此拆除遷建原有的氧氣工場及技工養成所。
行車順利的關鍵
由於柴電工場空間不足以應付日漸增加的維修工作，台鐵於1975至1976年間在工場東側增建一層樓鋼筋混凝土建築做為轉向架維修場，由力霸鋼構屋架、鋼筋混凝土梁柱及磚牆構成，高度約12.53公尺，屋架上鋪設鋼浪板。轉向架在柴電工場拆卸後，移動至轉向架維修場進行零件的拆解及維修；框架則送至位於轉向架維修場外側轉向架清洗場的蘇打池浸泡，再利用高壓水柱清洗髒污。
工場股道配置
柴電工場共有四條股道，為車體分解、組立及鈑金等作業的主要場所，其中兩股設有檢修坑，可在此執行吊掛作業。南側另有一股為檢查線，車輛進入工場後在此執行啟動檢查，並開立檢修單；當維修牽涉到油箱焊補或清潔作業時，會在檢查線將柴油抽至旁邊的油槽；車輛完成維修後，同樣移到檢查線進行啟動確認。