2014年（平成26年）4月6日に閉館した交通科学博物館の収蔵物の一部と、2015年（平成27年）8月30日に閉館した梅小路蒸気機関車館の収蔵物を展示し、梅小路蒸気機関車館を拡張・リニューアルを行い、2016年（平成28年）4月29日にグランドオープンした。

京都鉄道博物館の開館工事にあたり、蒸気機関車の解体検査や修理に特化した専用検修庫を新設する。SL検修庫では、蒸気機関車を吊り上げることができるクレーンを設置し、検修庫を修理風景を見学できるよう、施設の一部をガラス張りにすることも発表している。

全体で展示面積は約31,000m2で、開館時点においては、JR東日本の鉄道博物館（埼玉県さいたま市大宮区）やJR東海のリニア・鉄道館（愛知県名古屋市港区）を面積・展示車両数で上回り、日本最大の鉄道博物館である。