在香港鐵路博物館中，除了中國式的火車站大樓極具特色之外，館內更擺放其他歷史價值甚高的舊蒸汽火車頭、柴油電動機車、六架火車車卡，以及鐵路檢查車及號誌臂等設施，見証香港鐵路的發展歷史。
沙頭角支線 與 窄軌蒸汽火車頭
沙頭角支線於1912年開通，為窄軌鐵路，設有五個車站：粉嶺、洪嶺、禾坑、石涌凹及沙頭角站。九廣鐵路後來1923年向英國訂購兩輛窄軌蒸汽火車，它們於翌年抵港，替代部分退役機車，於沙頭角支線行走。惟沙頭角公路於1927年開通後，支線的客量大幅下降，最終於1928年廢止。這兩輛窄軌蒸汽火車僅僅只服務四年便退役，後來於1933年被賣至菲律賓作農業運輸用途，至1955年被九鐵購回。博物館內展出的窄軌蒸汽火車頭被修復至1920年代的原貌；另一輛則被捐贈給英國作為展品。
51號柴油電動機車
51 至 55 號柴油電動機車為首五架在香港使用的柴油電動機車，均在澳洲製造。51 及 52 號於1955 年抵港，53 至 55 號則於1957 年抵港，正式投入服務，它們都標誌著香港鐵路由蒸氣機車改用柴油電動機車的年代。51 及 52 號車身分別寫有港督葛量洪爵士Sir Alexander Grantham及其夫人Lady Maurine的名字，被稱為「葛量洪爵士號」及「慕蓮夫人號」。
它們主要作為客車及貨車車廂，行走紅磡與羅湖之間，直至1983年，九廣鐵路英段全面電氣化，柴油電動機車被電動車取代後，它們便作為貨車及調車之用，不再載客。
51號柴油電動機車於1997年退役後一直被閒置，後來九廣鐵路公司於2004年為機車進行修復工程，並送贈給香港鐵路博物館作收藏及公開展覽。而「慕蓮夫人號」連同53號的H.P. Winslow、 54號的R. Baker及55號的 R. D. Walker則於2004年相繼退役，於2005年一同送回澳洲，重新為當地服務，最後於2018年退役。