Museum Kereta Api Indonesia (Indonesian Railway Museum) awalnya adalah sebuah stasiun yang bernama Stasiun Willem I. Stasiun ini dibangun oleh Nedherlandsch Indische Spoorweg Maatschappij (NISM) yang diresmikan pada tanggal 21 Mei 1873 bersamaan pembukaan lintas Kedungjati-Ambarawa. Tahun 1907.
Ambarawa dapat dikata kota militer, keberadaan kota ini menyokong kota garnizum Magelang guna mengontrol daerah pedalaman. Pada tahun 1835 dibangun sebuah komplek benteng besar yang berhasil dirampungkan tahun 1848. Benteng terbesar di Jawa tersebut diberi nama Willem I mengingat pembangunan banteng dilaksanakan pada masa pemerintahan Raja Willem I. Pada tahun 1873 dibangun jaringan kereta api di Ambarawa oleh perusahaan kereta api swasta Nedherlandsch Indische Spoorweg Maatschappij (NISM). Pembangunan tersebut merupakan syarat yang harus dipenuhi NISM guna mendapatkan ijin konsensi pembangunan jalur kereta api pertama Semarang-Vorstenlanden (Solo-Yogyakarta). NISM diwajibkan membangun jalur kereta api cabang lintas Kedungjati-Ambrawa sepanjang 37 km guna keperluan militer.
Sebagai tempat pemberhentian akhir dibangun Stasiun Willem I (Stasiun Ambarawa). Kuat dugaan, penamaan Willem I mengacu kepada Benteng Willem I yang berada tidak jauh dari stasiun. Pada 1 Februari 1905 dilanjutkan pembangunan jalur kereta api ke Secang-Magelang yang terdapat jalur kereta khusus, rel bergerigi. Dua tahun berselang, bangunan Stasiun Ambarawa direnovasi dengan mengganti material yang semula berupa kayu dan bambu menjadi batu bata.
Pada awal pengoperasiannya, Stasiun Willem I digunakan sebagai sarana pengangkutan komoditas ekspor dan transportasi militer di sekitar Jawa Tengah. Setelah di non aktifkan tahun 1976, Stasiun Ambarawa dicanangkan sebagai Museum Kereta Api oleh Gubernur Jawa Tengah pada saat itu, Supardjo Rustam. Rencana ini bertujuan menyelamatkan tinggalan lokomotif uap serta sebagai salah satu daya tarik wisata di Jawa Tengah. Stasiun Ambarawa dipilih karena Ambarawa memiliki latar belakang historis yang kuat dalam perjuangan kemerdekaan yakni Pertempuran Ambarawa, selain itu Stasiun Ambarawa pada saat itu masih menyimpan teknologi kuno yang masih bisa dioperasikan.
Kini, Museum Ambarawa atau Indonesian Railway Museum (IRM) menampilkan koleksi perekeretaapian dari masa Hindia Belanda hingga pra kemerdekaan RI yang meliputi sarana, prasarana dan perlengkapan administrasi. Beberapa koleksi sarana perkeretaapian heritage seperti 26 Lokomotif Uap, 4 Lokomotif Diesel, 5 Kereta dan 6 Gerbong dari berbagai daerah.
Para pengunjung juga dapat menikmati perjalanan wisata dengan menaiki Kereta Api Wisata relasi Ambarawa-Tuntang (pp) dengan lokomotif penarik jenis lokomotif uap maupun kereta diesel vintage. Selain itu terdapat rute kereta Api Wisata Ambarawa-Jambu-Bedono (pp) yang menggunakan lokomotif uap bergigi yang melewati rel bergerigi. Rel bergerigi tersebut satu-satunya yang masih aktif di Indonesia.
Selain menjadi tempat wisata sejarah, museum ini dapat disewa untuk kegiatan Pameran, Ruang Pertemuan, Pemotretan, Shooting, Pesta Pernikahan, Festival, Bazar, Pentas Seni, Workshop, dll.