Il museo ha sede nell'ex stazione ferroviaria di Campo Marzio, a Trieste. La prima stazione edificata sul luogo fu quella di Trieste Sant'Andrea aperta nel 1887 come capolinea della Ferrovia Trieste-Erpelle e che da quella stazione lungo la ferrovia Istriana permetteva di raggiungere Pola e Rovigno (attualmente in territorio croato). Nel 1902 si attestò in questo impianto anche la linea a scartamento ridotto Ferrovia Parenzana. L'edificio attuale fu costruito tra il 1901 e il 1906 su progetto dell'architetto Robert Seelig in quanto la stazione di Sant'Andrea era stata scelta come capolinea dell'importante ferrovia statale chiamata Ferrovia Transalpina, che congiungeva Trieste con il territorio interno austriaco e che, grazie ad alcune ramificazioni, arrivava a Vienna e Salisburgo. Questo nuovo impianto ferroviario era secondo per dimensioni e volume di trasporti solo all'odierna Stazione Centrale. Sotto l'esercizio FS (succedute alle KKStB) l'impianto mutò il nome originale da Triest Staatsbahnhof (Trieste Stazione dello Stato) in Trieste Campo Marzio. La stazione è ancora dotata di quattro binari: alcuni tronchi e inutilizzati, altri che invece ospitano locomotive e tram d'epoca, facenti anch'essi parte della collezione museale.