A sede da antiga Estrada de Ferro Leopoldina, que hoje abriga o Museu Ferroviário de Juiz de Fora, foi construída para substituir a primeira estação, inaugurada no final do século XIX. Edificado em padrões ecléticos, o prédio apresenta em sua fachada uma prevalência de elementos da arquitetura clássica, como frontões triangulares, pilastras no pavimento superior; janelas e portas do térreo encimadas por bandeiras em arco pleno. A técnica construtiva empregada é a alvenaria de tijolos maciços, laje de concreto armado entre os dois pavimentos e telhado em estrutura de madeira, coberto com telhas francesas.

No projeto original, o pavimento térreo abrigava a sala do agente e do telégrafo, o armazém, os sanitários, a sala das senhoras e o bar. Já no andar superior havia a casa do agente da estação. No entanto, ao longo dos anos, a construção sofreu várias reformas que modificaram a concepção original.

No ano de 1977, o prédio da Estrada de Ferro Leopoldina ganhou dois corpos laterais no pavimento superior, onde localizavam-se os terraços da casa do agente. Na mesma reforma, a maioria das portas de acesso externas foi transformada em janelas, a escada para o pavimento superior foi eliminada, uma nova escada foi construída no hall principal e as divisões internas foram totalmente reformuladas.

Em 1985, uma nova obra de adaptação foi implementada, quando o prédio passou a abrigar o Núcleo Histórico Ferroviário, criado para preservar a memória da ferrovia em Juiz de Fora. No térreo, foram ambientadas as salas de exposição do acervo ferroviário, enquanto no pavimento superior foram instalados o Centro de Documentação, a Sala de Exposição Temporária, a Galeria de Arte e a Administração do Núcleo.

Em 1999, por meio de um convênio celebrado entre a Rede Ferroviária Federal S.A. e a Prefeitura de Juiz de Fora, a Fundação Cultural Alfredo Ferreira Lage - Funalfa assumiu a administração do espaço, que passou a se chamar Museu Ferroviário de Juiz de Fora. As diretrizes implantadas visaram a dinamização das ações de natureza turístico-cultural e educacional, particularmente aquelas relacionadas com a preservação, valorização e difusão do patrimônio, da memória e das tradições ferroviárias.

O prédio do Museu Ferroviário passou por novas intervenções, como a troca do piso, pintura, conservação e restauração de peças, reforma do anfiteatro, além de ganhar telas de proteção e jardins. O acervo foi reorganizado e disposto de forma didática. Em agosto de 2003, depois do processo de revitalização e modernização, o Museu Ferroviário foi aberto ao público.