Peresmian stasiun Ambarawa pertama kali pada tahun 12 Mei 1873 dengan nama Stasiun Willem I. Tujuan pendirian stasiun ini adalah untuk memperlancar mobilitas tentara Belanda setelah perang Diponegoro. Di mana Ambarawa adalah pangkalan perang dengan letak yang strategis. Terletak antara Semarang, Yogyakarta, dan Surakarta.
Nama Stasiun Willem I ini berasal dari sebuah Benteng yang berada di Ambarawa juga. Benteng Willem yang pembangunannya dilakukan ketika Raja Willem Frederick Prins Van Oranje-Nassau pada tahun 1772 hingga 1843.
Pembangunan stasiun ini juga bertujuan agar pembangunan jalur kereta api Semarang, Solo, dan Yogyakarta dapat terlaksana. Pembangunan jalur kereta api sepanjang 37 kilometer untuk keperluan militer dilakukan cabang lintas Kedungjati – Ambarawa.
Sejak saat itu stasiun Ambarawa aktif sebagai stasiun yang menghubungkan antara Semarang, Solo, Magelang, hingga ke Yogyakarta. Hingga pada akhirnya di tahun 1972 stasiun berhenti beroperasi karena kalah saingan dengan angkutan lain.
Selain itu, adanya erupsi gunung Merapi pada tahun 1972 membuat kereta tidak bisa bergerak di Magelang. Hingga akhirnya lokomotif uap berguguran karena usia yang sudah tua.
Untuk menghindarkan dari kepunahan, Gubernur Jawa Tengah yang saat itu Soepardjo Rustam akhirnya menjadikan stasiun Ambarawa sebagai salah satu museum kereta api. Yang berisi berbagai barang kereta api seperti perlengkapan dan lokomotifnya.