明隆慶年間（1567-1572年）鄧師孟父親被海寇綁架，鄧師孟以身贖父，待父親離開後便投海自盡，鄧氏稱鄧師孟為孝子。
明萬曆乙未年（1595年），在「邑五都大步側」興建鄧孝子祠。

康熙十一年（1672年），鄧祥、鄧天章兩人，向新安縣申請在鄧孝子祠旁邊立墟，所得收入用作鄧孝子祠經費，獲准成立，名為大步頭墟，嘉慶年間稱大步墟，光緒初年改稱大埔墟。

大埔周邊一帶村民到來買賣，大埔墟成為區內由鄧氏壟斷的經濟中心。

清光緒十八年（1892年），新安縣衙門在鄧孝子祠內立《大埔示諭》碑，禁止外姓在墟內建舖。
同年卻准許泰亨的文湛泉與另外六個鄉約，在大埔墟對岸建墟市。

大埔七約合共六十九條村，大部分為客家村，包括：泰亨約、翕和約、林村約、集和約、汀角約、樟樹灘約、粉嶺圍彭氏的粉嶺約，他們組成鄉村聯盟籌建太和市，抗衡鄧族壟斷的大埔墟。

七月初八日，太和市正式啟市，墟期為農曆三、六、九日。
為解決食水問題，大埔七約鄉眾開鑿一口水井，鄉民視為風水井，立祀井神。

1898年，「展拓香港界址專條」，英國向清政府租下九龍半島北部與新界等地，與清政府協議，興建連結九龍至廣州鐵道，滿足彼此之間客貨運需求，經協商後確立這條鐵道分為華段與英段，由清、英雙方各自興建。

5月，怡和公司與香港上海滙豐銀行，合資組成中英銀公司，取得建造從廣州至香港鐵路特許權。
英段鐵路為單軌，但預留位置日後舖設雙軌，建造成本每英里約七萬五千英鎊，是世界上最昂貴鐵路之一。

一組英國工程人員研究後，提出兩條可行路線連接九龍與邊界，一為開闢一條長約2.4公里筆架山隧道，沿吐露港海岸北上。
另一條沿新界西面經青山灣北上，此方案須開鑿數個較短隧道。

1905年，立法局通過鐵路興建方案，由九龍尖沙咀經過新界的行政中心大埔，前往中英邊界羅湖，與華段連接。

1906年，吐露港海岸北上方案獲得接納，全線長35.4公里，由工務局負責建築。
1907年，中英銀公司發行面額一百英鎊債券，為建造廣九鐵路 (華段) 籌集資金。

1907年，滿清政府邀得中國鐵路專家詹天佑，成爲華段總工程師。
深圳至廣州大沙頭工程開始，全長143.2公里，建造成本為每英里一萬二千五百英鎊。

英段鐵路最初軌距為0.61米，全線工程完成後不久，為與內地接軌，改用1.435米軌距標準路軌。

筆架山隧道是亞洲規模最龐大工程，沿線尚有四條較短隧道，建設不少橋樑與基堤，由於施工環境惡劣，工程期間有超過五十名工人死於隧道內。

1910年10月1日下午三時，九廣鐵路英段在尖沙咀舉行開通慶典，署理港督梅軒利爵士，兩廣總督魏瀚主禮。

10月15日，九廣鐵路英段完工通車，全部建築費達一百三十萬英鎊，啓用儀式原由兩廣總督與香港總督在羅湖主持，中方最後決定派出次一級官員，英方最後也只派出香港輔政司主持啓用儀式。
署理港督梅軒利及夫人，其後到場視察剛通車的九廣鐵路。

九龍火車總站選址爭議尚未有定案，九龍總站只是一個臨時由貨倉改建成的火車站。
九廣鐵路英段有五個正式車站：油麻地站、沙田站、大埔站、大埔墟旗站、粉嶺站。

九廣鐵路英段是單線區間行車，雙線入單線或單線入雙線，要用人手以轉轍器轉換路軌，大埔墟旗站（號誌站），用作調度列車。

大埔滘設有碼頭，是新界東北多個離島與西貢半島北部交通樞紐，大埔站設在大埔滘，方便水陸運輸。

為方便沙頭角與大鵬灣一帶居民，大埔理民府建議政府，利用0.61米路軌物料，於粉嶺車站旁修築支線連接沙頭角，全長11.67公里。
1911年4月，政府同意興建沙頭角支線，屬於客貨兩用輕便鐵道，軌距0.61米。

10月5日，港穗直通車正式投入服務，通車初期，每天開出兩班，行車時間約四個多小時，座位分爲頭等及二等，票價分別爲5.4銀元及2.7銀元。

1912年4月1日，沙頭角支線通車，全長不足十二公里，用人力推動，耗時五十分鐘，共有五個車站，包括：粉嶺、洪嶺、禾坑、石涌凹、沙頭角，全程行車時間約五十五分鐘。

1913年，大埔墟旗站改建為完備的大埔墟站，採用中國廟宇金字頂風格建築。
太和市因車站名稱改為大埔墟，大埔墟改稱為大埔舊墟，大埔墟佔火車站地利，成為貨物集散地，生意很快超越大埔舊墟。

為免與大埔墟站混淆，大埔站正名為大埔滘站，大埔因此有兩個火車站。

爲方便使用上水高爾夫球場的乘客，九廣鐵路在上水增設停車點。

1914年3月1日，尖沙嘴總站工程展開。
1916年3月28日完成開放。
1921年，何文田增設停車點，尖沙嘴鐘樓完成投入服務。

1924年，九廣鐵路引進兩輛窄軌蒸汽機關車。
1927年，窄軌蒸汽機關車，在星期日為打哥爾夫球人士提供接送服務。

1928年4月1日，沙頭角支線廢線，蒸汽機關車賣給菲律賓，用作糖鐵牽引機關車。

1930年，第一次國共內戰，九廣鐵路直通車中斷運作。

1931年，一所大型賭場在深圳開業，火車載客量因而大增。
1935年11月16日，大圍車公廟增設試驗停車點。
1936年9月1日，賭場關閉，火車收入大減。
10月1日，車公廟站停用。

1936年，「大埔淑女」號豪華客車，開始接載乘客來往九龍與廣州之間。

1937年，「廣州淑女」號投入服務。
7月，中國爆發抗日戰爭。
8月，位於新界多段路軌被颱風破壞。
8月18日，中方緊急建成一條九英里鐵路支線，連上廣漢線與九鐵，從香港快速運送主要戰爭物資往內地，九鐵貨運收入因而增加。九廣鐵路經紅磡必嘉街駁通黃埔船塢。

1939年2月21日，日本戰機轟炸羅湖車站，九廣鐵路中港兩地交通中斷。

1941年12月8日，日軍開始進攻香港，九廣鐵路英段用作運送軍用物資。

英方其後炸燬九廣鐵路設施，阻礙日軍前進。
12月8日，位於大埔的路軌及羅湖橋被炸毀。
12月13日，日軍佔領九龍半島前數天，日軍俯衝式轟炸機多次轟炸尖沙嘴火車站，鐘樓以及車站設施損毀。
12月25日香港淪陷。

1943年，日軍完成修理整段九廣鐵路，重新復辦來往香港至廣州直通車，大部份原屬九廣鐵路英段的列車和設備，被運到中國大陸使用，香港重光時，只剩下兩部機車和幾個車卡。

英國戰爭部將十二架軍用蒸汽機車，贈與九廣鐵路，鐵路服務得以盡快恢復。

1944年，政府在粉嶺至和合石墳場建築支線，由市區運送屍體到和合石墳場安葬，這條支線在清明節提供往和合石火車服務。（鐵路電氣化後，和合石支線拆毀。）

1949年10月14日，港穗直通客車基於政治原因中止，羅湖成為英段終點站。

政府決定以柴油機車取代老化的蒸汽火車頭，1954年開始，九廣鐵路公司，引進五輛由美國EMD授權，澳洲生產的G12型柴電機關車（編號51-55），行駛紅磡至羅湖間的九廣鐵路英段。

1955年9月5日，51號及52號新柴油電力機車，分別命名為「亞歷山大爵士」及「慕蓮夫人」，是香港首個以人名命名的火車頭，象徵九廣鐵路正式邁入無煙化。

1961年3月28日，九龍總站正式落成啟用（香港文化中心），8月，最後一輛蒸氣機車被柴油機車淘汰，九廣鐵路其後繼續購入柴油機車。

1963年，沙田馬料水興建中文大學，大學海邊另設馬料水碼頭，設立馬料水站（大學站)，大埔滘站停用改為中大職員宿舍，大埔滘碼頭被馬料水碼頭取代後停用。

1974年，九廣鐵路鋪設雙軌工程展開。
1975年5月，紅磡總站由英女皇揭幕。
11月31日，紅磡站替代尖沙咀站成為九龍總站，雙軌鐵路鋪通筆架山隧道，接駁九龍塘與大圍。

1976年，雙軌鐵路舖至大埔墟。
1978年，全線鐵路雙軌電氣化，現代化工程計劃開始。

1979年4月4日，港穗直通車再次恢復，八十年代使用作牽引直通客車的機車，包括：東風號、ND4、東風三型、東風四型等。

1981年4月24日，舊筆架山火車隧道關閉。
4月26日，新筆架山火車隧道開放。

1982年12月24日，九廣鐵路公司依據九廣鐵路公司條例，由政府部門轉為公營機構，耗資達三十五億元電氣化。

1983年5月2日，大埔墟站以南新車站落成，沒命名為大埔站，沿用大埔墟站，不過，坊間仍稱為大埔站。

7月16日，全線電氣化列車服務展開，柴油機車客運服務同時停止。
7月23日，行走九龍站與上水站之間，舉辦「最後柴油機車旅程」。

原來的大埔墟站中式建築與一段路軌保留，1984年列為法定古蹟。
翌年改為鐵路博物館，位於大埔墟安富道，是區域市政局轄區內首間專題露天博物館，面積六千五百平方米。

博物館內有六輛舊型客車、兩輛工程車，柴電機關車各一輛。

具有金字頂造型傳統中式建築的舊大埔墟站房，瓦片屋脊上是古式畫風壁畫，各式吉祥泥塑，入口旁有一部手搖四輪車。

博物館展示九廣鐵路使用的各種設備，包括電氣路牌、各式車票等，保存大埔墟站的票房，介紹九廣鐵路歷史。

博物館內兩棵細葉榕列入古樹名木，鑲在地上的「往深圳」石牌，深圳英文為郵政式拼音「Shum Chun」，而非普通話拼音「Shenzhen」。

1986年12月20日，區域市政局主席張人龍、九廣鐵路公司主席霍士傑、區域市政總署署長孫明揚等主持博物館開幕，12月21日開放予市民免費參觀。

1989年5月9日，鄰近大埔舊墟的太和站啟用，大埔回復有兩個火車站。

1996年，九廣鐵路英段正式改名為九廣東鐵。
1997年，編號51號的蒸汽機關車，「亞歷山大爵士號」退役，閒置在紅磡貨場。
2004年修復後，回送至香港鐵路博物館。

2005年，四輛G12型機關車陸續除役，售與澳洲的鐵路公司，在澳洲阿德雷德服役。

2007年，地鐵公司與九廣鐵路公司兩鐵合併，成立香港鐵路公司。

2010年，新增香港地鐵簡史，展出一系列文物和歷史圖片。

2016年，博物館參觀人數超過二十四萬。
2017年，政府斥資一千五百萬，修復與更新博物館展品。

313號蒸汽火車，車卡長近二十米，產自黃埔船塢，轉向架來自英國，1921至1959年期間服役。

2017至2019年間，文物修復辦事處耗資六百萬元完成修復。
2020年5月㡳，由位於長沙灣的政府船塢運往博物館展出，