โรงรถจักรธนบุรี ตั้งอยู่ริมคลองบางกอกน้อย ถนนเลียบคลองบางกอกน้อย แขวงศิริราช เขตบางกอกน้อย กรุงเทพมหานคร ซึ่งอยู่ในบริเวณใกล้เคียง กับ สถานีรถไฟบางกอกน้อย เดิม หรือเรียกว่า สถานีรถไฟหลวงบางกอกน้อย ซึ่งมีลักษณะสถานี เป็นทรงบ้านชั้นเดียว มีไม้ทำรั้วกั้นล้อมรอบ สร้างในปี พ.ศ.2444

     พระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว ทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ ให้สร้าง และขยายกิจการรถไฟ เพิ่มเติม โดยทรงมีพระราชดำริ ให้กระทรวงโยธาธิการ และกรมรถไฟ วางแผนงาน เพื่อสร้างทางรถไฟจากกรุงเทพฯ ไปจังหวัดเพชรบุรี เมื่อปี พ.ศ.2441 ซึ่งต่อมาเมื่อวันที่ 8 กรกฏาคม 2442 โปรดเกล้าฯ ให้สร้างทางรถไฟสายนี้ เริ่มตั้งแต่ ปากคลองบางกอกน้อย ถึงเพชรบุรี เป็นทางกว้าง 1 เมตร ระยะทาง 150 กิโลเมตร แล้วเสร็จเปิดเดินรถได้ เมื่อวันที่ 19 มิถุนายน 2446 ในขณะเดียวกัน โรงซ่อมรถจักรธนบุรี หรือ ที่เรียกกันในสมัยนั้นว่า "โรงซ่อมรถไฟ สถานีรถไฟบางกอกน้อย" ก็ทำการสร้างเสร็จในปี พ.ศ.2466 เช่นกัน ต่อมาในช่วงปี 2487-2488 ฝ่ายสัมพันธมิตร (สงครามโลกครั้งที่ 2) ได้ทำการทิ้งระเบิดโจมตี บริเวณสถานีรถไฟบางกอกน้อย และโรงซ่อมรถไฟบางกอกน้อย ทำให้สถานีรถไฟบางกอกน้อย ทางรถไฟ และบริเวณข้างเคียง เช่น วัดอมรินทราราม ได้รับความเสียหายมาก และที่โรงซ่อมรถไฟสถานีบางกอกน้อย ก็ได้ความเสียหายบางส่วน

     ในปี พ.ศ. 2489 ทางกรมรถไฟ ได้ให้กรมโยธา ก่อสร้างโรงซ่อมรถจักรไอน้ำถาวร และทันสมัยขึ้น บริเวณทิศเหนือ ของโรงซ่อมรถไฟ สถานีบางกอกน้อยเก่า โดยสร้างเสร็จในวันที่ 21 เมษายน 2490 โดยมีบ่อซ่อม เป็นคอนกรีตจำนวน 9 บ่อ และมีบ่อถ่ายเปลี่ยนล้อ พร้อมอุปกรณ์อีก 1 บ่อ และมีบ่อขี้เถ้านอกโรง อีกจำนวน 3 บ่อ พร้อมโรงสูบน้ำใหม่ รวมเป็นเงินทั้งสิ้น 315,497.75 บาท พื้นที่ทั้งหมด 5 ไร่ 64 ตารางวา

     ในปี พ.ศ. 2519 ได้นำรถจักรดีเซล เข้ามาทำการแทน รถจักรไอน้ำบางส่วน จึงปรับปรุง สร้างอู่ลอยจำนวน 1 อู่ แล้วเสร็จในวันที่ 18 กันยายน 2520 ใช้งบก่อสร้างเป็นเงิน 225,000 บาท ต่อมาในปี พ.ศ. 2522 ทางการรถไฟแห่งประเทศไทย เลิกใช้รถจักรไอน้ำอย่างถาวร ตั้งแต่ปี พ.ศ. 2522 เป็นต้นมา โรงรถจักรธนบุรี จึงมีแผนรองรับ การซ่อมบำรุง รถจักรดีเซลบางส่วน ที่ลากจูง หรือวิ่งทำขบวนจากธนบุรี (บางกอกน้อย) ไปเส้นทางสายใต้ สายกาญจนบุรี และสายสุพรรณบุรี

     ต่อมาเมื่อถึงปี พ.ศ. 2523-2524 การเดินรถสายใต้ มีการเปลี่ยนแปลง และยกเลิกขบวน ที่วิ่งจากบางกอกน้อย ไปสถานีบ้านหมอ พร้อมกับ มีการเปลี่ยนแปลง ระบบการซ่อมบำรุง รถจักรดีเซลขึ้น โดยในขณะนั้น วิศวกรกำกับการเขต 1 บางซื่อ คือ นายธวัช เกศศร ต้องการขยายปริมาณ การซ่อมบำรุงรถจักรดีเซล Alsthom ขึ้นที่โรงรถจักรธนบุรี เพื่อ รองรับปริมาณการซ่อม ที่โรงซ่อมรถจักรที่บางซื่อ และมักกะสัน จึงจัดช่างฝีมือ ที่จบจากโรงเรียนวิศวกรรมรถไฟ จำนวน 30 กว่านาย มาบุกเบิกทำการ ซ่อมวาระ รถจักร Alsthom รุ่น ALS , AHK , ALD , ADD โดยซ่อมตั้งแต่วาระ 3,000 ชม. 6,000 ชม.และ 12,000 ชม. พร้อมได้ขยายภารกิจ การซ่อมรถจักรดีเซลอีกหลายชนิด เช่น รถจักร Hitachi, Henshel , Krupp, GE เพิ่มขึ้น

     ในปี พ.ศ. 2540 ทาง วกข.บซ. สมัยนั้น ได้ให้โรงรถจักรธนบุรี รับภาระซ่อมวาระ 2 ปีรถจักร GEA และ HID อีก 2 ชนิด ซึ่งมีพนักงานช่างฝีมือ ผู้ควบคุม และพนักงานเทคนิค และพนักงานด้านงานสนับสนุน การซ่อมบำรุงรวมกัน 42 นาย ต่อมาในปี พ.ศ.2542 ทาง วซข.บซ. ได้จัดส่ง Lifting Jacks. ขนาด 100 ตัน มาให้จำนวน 4 ตัว ตัวละ 25 ตัน นำมายกตัวรถจักร Alsthom, GE เพื่อเปลี่ยนล้อ และ TM. สนับสนุน งานซ่อมบำรุงรถจักรอีกส่วน และก็เริ่มดำเนินการเปลี่ยนล้อ TM มาตั้งแต่วันที่ 16 กันยายน 2542 เป็นต้นมา

     ในวันที่ 10 ตุลาคม 2549 ทาง มักกะสัน ได้ส่ง Liftting Jacks ใหม่ขนาด 100 ตัน จำนวน 4 ตัว ตัวละ 25 ตัน ยี่ห้อ PFAFF เพื่อนำมาเปลี่ยนล้อ , เปลี่ยน TM รถจักร GEA, HID อนึ่ง … ภารกิจส่วนหนึ่ง ของโรงรถจักรธนบุรี ตั้งแต่ปี พ.ศ.2525 เป็นต้นมา ยังมีภารกิจ ที่จะต้องซ่อมบำรุงรถจักรไอน้ำ อีกจำนวน 5 คัน ที่การรถไฟแห่งประเทศไทย ได้อนุรักษ์ไว้ใช้งานในวันสำคัญต่างๆ

     ในปัจจุบันนี้ โรงรถจักรธนบุรี มีจำนวนผู้ปฏิบัติงานช่างฝีมือประจำ จำนวน 24 นาย ลูกจ้างเฉพาะงานจำนวน 12 นาย พนักงานสนับสนุน งานซ่อมบำรุงจำนวน 6 นาย พนักงานเทคนิคจำนวน 8 นาย