馆内收藏有美国、德国、日本、捷克、波兰、罗马尼亚、中国和前苏联等八个国家的机车产品。其中1907年美国生产德DB1型和PL型机车是目前世界上最古老的蒸汽机车之一；我馆收藏的SL7型机车是日本川崎重工株式会社1934年生产制造的，设计时速为130公里/小时，该车是全部12台中仅存的一台；我国于1957年生产的JS型机车和1960年生产的GJ型号机车是建国后自行设计的，它们为中国铁路机车的发展史写下了光辉的一页。
馆藏蒸汽机车见证了世界铁路的发展史和工业革命的文明，同时，也记录了中国人民那段不堪回首的被奴役的屈辱历史和中国人民自强不息、艰苦奋斗的光辉历程。在制造年代上和历史所赋予的使命上以及就机车本身的研究与观赏上，都具有深刻的历史意义及文物价值。 [1]
沈阳蒸汽机车博物馆的前身，是始建于1984年的沈阳铁路蒸汽机车陈列馆，占地面积约8000平方米，设有两条停放展览机车的线路。原馆收藏着分别产自上个世纪的美、日、德、波兰、罗马尼亚、捷克、前苏联、中国8个国家的15台老式蒸汽机车。其中，1907年美国生产的DBI型小型蒸汽机车，距今已有96年的历史，它是整个蒸汽机车家庭中最古老的成员之一。还有日本川崎公司1934年制造的SL7型“亚细亚号”蒸汽机车，设计时速130公里，动轮直径两米，外形呈流线型，曾用于牵引特快旅客列车。日本当年只生产了12台，现仅存这一台。这里有我国1960年自行设计制造的QJ型蒸汽机车，是新中国成立后第一批生产的，它为中国铁路机车制造史写下了光辉的篇章，成为中国人民的骄傲。
沈阳铁路蒸汽机车陈列馆在国外早已赫赫有名。每年，美国、英国、日本、比利时等国不少蒸汽机车爱好者，不远万里来到沈阳，一睹“老爷车”的芳容。许多日本游客专程赶来，他们大多数是当年在“亚细亚号”车上工作过的司机、乘务员，或是乘坐过它的人。据统计，从1984年开馆至今，原馆共接待世界50多个国家的旅游团队及3万余名游客和蒸汽机车爱好者。
由于原馆地处沈阳市郊区，地理位置偏僻，交通不便，不仅限制了参观者活动，还使露天停放的机车长年经受风吹雨淋。另外，每年不到两万元的门票收入，难以对锈迹斑斑的“老爷车”进行有效的检修和保养。
抢救馆藏蒸汽机车刻不容缓。2002年6月16日，沈阳植物园投资1000万元，在植物园北侧修建沈阳蒸汽机车博物馆主体工程。与此同时，沈阳铁路分局投入800万元用于机车维修和搬迁。
2002年11月2日，一辆重200吨、长17米的大型公路平板车，拖运着一台重66吨的蒸汽机车由沈阳市苏家屯区缓缓驶出，由沈阳铁路蒸汽机车陈列馆搬迁至即将落成的沈阳蒸汽机车博物馆。经过半个月时间的搬迁，15台“老爷车”终于有了理想的“归宿”。
新馆位于沈阳植物园北区，占地4万余平方米，主体建筑为白色基调，造型为半圆形。博物馆正中为一座半圆形露天广场。馆门前为广场和甬道，并有花坛装饰。博物馆采用框架结构，分为展厅、广场两部分。
