新馆主体建筑外观以银灰色为主色调，内部分三个主要功能区，即一层半圆形展厅为老机车实物展厅；二楼环廊为爱国主义教育展厅、科普教育展厅等资料及实物分类展厅，以及多媒体演示厅等；三楼为办公区。博物馆在建设中增加了蒸汽机车酒吧、多媒体演示厅、詹天佑展厅等设施，此外还开辟专门展区，展示与蒸汽机车以及铁路有关的实物，以实物展示机车原理及演变过程。包括展示一些老式的驼峰控制台，道口信号灯、机车汽笛等。

在馆内，16台蒸汽机车呈弧形排开，停放在各自的铁轨上，分别产自1907年－1960年美国、日本、捷克、波兰、德国、罗马尼亚、比利时、苏联等国及我国。其中，1907年美国生产的PL1型、DB1型小型蒸汽机车，是整个蒸汽机车家庭中最古老的成员之一，还有我国1960年自行设计制造的QJ型蒸汽机车，这是新中国成立后第一批生产的铁路机车。馆内还展有中国铁路从1894年到现在的发展历史图片等。而馆内的明星当数当年日本侵华时在中国使用的“亚细亚”号，自沈阳蒸汽机车博物馆成立一直就是“镇馆之宝”。据了解，“亚细亚”号当时在日本仅生产了12台。为了战争的需要，全部在中国服役，在东北地区担任运输任务。抗日战争胜利后成为中国人民的战利品，目前只剩下一台。

展厅内新增了3台复制文物机车。其中有中国历史上第一台火车“龙号”的复制品，还有新中国成立后的第一台简易机车。馆内设有“蒸汽机车展厅”、“机车模型厅”、“科普知识厅”等展示场地。为了加深游客对老机车的认识，馆内还允许游客登上几台“老爷车”的驾驶室，过一把“火车司机”的瘾。