Stasiun Kereta Api Ambarawa yang kini menjadi museum dibangun pada tanggal 21 Mei 1873 . Pada saat pertama kali berdiri, stasiun ini bernama Stasiun Kereta Api Willem I karena pembangunannya diperintahkan langsung oleh Raja Belanda Willem I. Pada saat itu ada dua jenis jalur kereta api yang beroperasi dari Ambarawa. Jalur yang pertama melewati Kedungjati ke timur laut, dan jalur yang kedua mengarah ke selatan menuju Yogyakarta melalui Magelang.
Karena pengoperasian jalur yang mengarah ke selatan menuju Yogyakarta melalui Magelang direncanakan untuk ditutup, Museum Kereta Api Ambarawa dibangun dan dibuka pada tanggal 6 Oktober 1976 untuk melestarikan banyak lokomotif dan gerbong. Komponen kereta api terpenting dalam pelestariannya antara lain adalah rel roda gigi, atau rel rel rack-and-pinion, yang memungkinkan rel kereta api di Ambarawa berjalan menanjak. Rack ditempatkan di antara rel lari dan pinion akan berfungsi tepat di atas rack sehingga kereta dapat melaju di lereng yang curam.
Rack tersebut sampai saat ini masih bisa dilihat di sepanjang garis antara Jambu dan Secang. Jalur serupa lainnya di Indonesia dapat ditemukan di Sawahlunto, Sumatera Barat, Kota Ambarawa 474 meter di atas permukaan laut, sedangkan Jambu 478 meter, melewati Bedono pada ketinggian 711 meter dengan jarak kurang dari 5 kilometer. Jalur tersebut kemudian turun ke Secang pada ketinggian 466 meter di atas permukaan laut.
Sebagian besar jalur ditutup pada tahun 1970-an dengan perkembangan sistem jalan yang lebih baik antara Semarang dan Yogyakarta yang membuat jalur kereta api menjadi pilihan yang lambat. Saat ini beberapa kereta api kuno masih beroperasi untuk wisatawan dan banyak disewa selama musim kemarau dari bulan Juni hingga Agustus.
Anak-anak di desa akan datang dan menyemangati kereta saat melintas. Ini merupakan tontonan yang luar biasa bagi penumpang dan penduduk desa. Seperti yang dikatakan seorang travel writer, Phillips Game, kereta api ini adalah ‘Ratu Gunung’.
Saat ini, Museum Kereta Api Ambarawa menyimpan 21 lokomotif uap, dengan empat masih beroperasi. Di antaranya adalah lokomotif uap dengan nomoer B25 0-4-2T B2502 / 3, dari armada asli lima yang digunakan oleh jalur tersebut sekitar 100 tahun lalu. A B2501 sekarang disimpan di taman kota terdekat. Sisanya adalah E10 0-10-0T E1060 yang pernah digunakan di Sawahlunto Sumatera Barat, dan 2-6-0T C1218, lokomotif konvensional. Furnitur tua, telepon, dan sinyal kereta serta bel juga menjadi bagian dari koleksi Museum Kereta Api Ambarawa yang bisa mengungkap cerita menarik tentang petualangan kereta api Jawa kuno.