Được người Pháp xây dựng và bắt đầu hoạt động năm 1905, đây là nơi bảo dưỡng và sửa chữa đầu máy xe lửa. Nhà máy có tổng diện tích hơn 20 ha, nằm tại giao điểm 4 tuyến đường sắt trọng yếu phía bắc lúc bấy giờ.
Thập niên 1980, chính phủ Ba Lan viện trợ xây dựng lại nhà máy nhằm tăng năng suất đóng mới và sửa chữa đầu máy, toa xe. Đây là công xưởng quy mô nhất của ngành đường sắt một thời với 6 xưởng sản xuất, khu điều hành, kho, hệ thống xử lý nước thải, 10 trạm cung cấp điện, hồ điều hòa lớn… Xưởng sản xuất dùng hệ mái răng cưa (để tối ưu việc lấy sáng và thông gió). Ngoài ra, nhà máy có gần 5 km đường ray dẫn nối nhà xưởng với hệ thống đường sắt quốc gia. Tại đây vẫn còn đầu máy xe lửa hơi nước "Tự lực" được các kỹ sư VN chế tạo năm 1964, đầu máy diesel "Đổi mới", đoàn xe do đóng góp "Kế hoạch nhỏ"…
Giai đoạn hoàng kim là thập niên 1980, Nhà máy xe lửa Gia Lâm có gần 3.000 công nhân, được làm việc tại đây là niềm mơ ước của nhiều người. Sau đó, do nhu cầu đi lại bằng tàu lửa giảm dần nên nhà máy chỉ hoạt động "thoi thóp" và hiện tại đang nằm trong quy hoạch di dời khỏi nội đô.
Cuối năm ngoái, nơi đây trở thành một trong 4 không gian trưng bày tác phẩm nghệ thuật tại Lễ hội Thiết kế sáng tạo Hà Nội 2023.