1954年4月，铁道部机车车辆修理工厂管理局成立“东北新厂筹建组”，提出在长春市二道沟建厂的建议方案。1955年10月28日破土动工。1958年7月19日，铁道部撤销长春新厂筹建处机构，命名新厂为铁道部长春机车工厂，8月1日工厂正式宣布成立。

1959年初，工厂接收友好型蒸汽机车改轨任务，2月16日第一台蒸汽机车入厂改轨，26日合格出厂。同年春天，仅用30天完成试制第一台和平型机车。到1966年全年修车达到369台，首次突破年修车300台的设计生产能力，企业管理也初步形成特色模式。

1967年工厂生产受到严重干扰，1968年成立革命委员会后开始恢复生产。70年代，工厂提出“一厂变两厂”目标，进入边生产、边改造、边扩建时期。1975年末，我国第一台大马力电传动燃气轮机车在工厂研制成功。

1982至1984年，进行以“五项工作”整顿为基础内容的企业全面整顿，前进型蒸汽机车创部优产品。1985年工厂修复胜利（SL）型751号蒸汽机车。1990年，铁道部计划司下达组建内燃机车修理基地可行性研究通知，工厂提出承修内燃机车可行性论证报告。

1991年起，随着蒸汽机车制造停止，工厂进入寻求转产和生存发展的艰难时期。1998年，工厂成立改制领导小组，实行分厂制经营，当年主产品市场萎缩，近千人下岗。2003年12月6日，最后一台厂修蒸汽机车出厂，结束修理蒸汽机车时代。2004年12月16日，吉林省长春市中级人民法院立案受理长春机车厂破产一案，24日宣告其破产。

2007年初，长春客车厂修车分厂迁到长春机车厂院内，成立“中国北车集团长春轨道客车装备有限责任公司”。后来更名为“长春中车轨道车辆有限公司”。2019年，工厂整体搬迁至宽城区的装备制造产业开发区。原厂区停止运营并逐步拆除，规划建设为中车历史文化街区。