Il museo è ospitato nei capannoni del Reale Opificio meccanico di Pietrarsa, la fabbrica di locomotive voluta da Ferdinando II di Barbone nel 1840, un anno dopo l'inaugurazione della prima linea ferroviaria d'Italia, che univa Napoli al Palazzo Reale di Portici. Una colossale statua in ghisa nel piazzale della stabile ritrae il re nell'atto di fondazione dell'edificio, testimonianza concreta dell'iniziale produzione diversificata della fabbrica, che comprendeva anche sculture e opere d'arte. Tra le locomotive esposte merita un posto d'onore la copia ancora funzionante della Bayard, la prima a circolare in Italia. Di particolare pregio tra le carrozze è il salone del treno reale, con un soffitto liberty in oro zecchino dipinto di blu e un tavolo da pranzo in mogano per 26 commensali.