Bereits 1867 gab es neben dem Arnstädter Bahnhof einen zweiständigen Lokschuppen mit Wasserstationsgebäude, welche die 37,3 km lange Zweigbahnstrecke der Thüringischen Eisenbahngesellschaft von Dietendorf über Arnstadt und später nach Ilmenau (1879) bedienten.

Mit dem Bau der KPEV-Strecken Plaue - Suhl - Ritschenhausen von 1881 bis 1884 und Arnstadt - Saalfeld von 1894 bis 1895 sowie der Etablierung der privaten Arnstadt-Ichtershäuser Eisenbahn im Jahr 1885 wuchs die Bedeutung des Arnstädter Bahnhofes ständig. Folglich entstand in den Jahren 1894 - 1895 westlich vom Bahnhof eine neue Betriebswerkstätte mit Ringlokschuppen und Drehscheibe. Nach dem Bau der teilweise mit Zahnstangen ausgestatteten Strecke Ilmenau - Schleusingen (1904) wurde der Ringlokschuppen bis 1914 schrittweise auf 22 Stände erweitert. Die heutige 23 m Drehscheibe besteht seit 1936. Eine Besonderheit war das Materiallager, das bis 1903 in Heldburg als dreiständiger Schmalspurlokschuppen fungiert hatte. Daneben erhielt die 1924 zum Bahnbetriebswerk erhobene Anlage, verschiedene Dienst-, Sozial- und Werkstattgebäude, Einrichtungen zur Dampflokversorgung sowie eine Wagenausbesserungsstelle.

Da die Steilstrecken des Thüringer Waldes kräftige Lokomotiven und häufig auch Schiebedienste (z.B. ab Gräfenroda) erforderten, war der Lokomotivbestand des Bw Arnstadt entsprechend vielfältig. Im Laufe der Jahre 1925 bis 1995 waren im Bahnbetriebswerk Arnstadt verschiedenste Güterzug-, Personenzug-, Schnellzug- und Tenderlokomotiven beheimatet. Abgesehen von einigen Einheits- und Kriegslokomotiven der Baureihen 01, 41, 44, 50 und 52 hielten sich die Länderbahnlokomotiven der BR 58, 91, 93, 94 und 95 im Bahnbetriebswerk Arnstadt noch sehr lange. In den 50er Jahren nahm der Bestand an den Lokomotiven der Baureihen 44 und 65 weiter zu. Bedeutsam war ab 1955 die Stationierung von Kohlenstaublokomotiven der Baureihen 25 und 44 , für die im Bahnbetriebswerk ein Kohlestaub-Bunker errichtet wurde, dessen beeindruckende Reste noch heute zu besichtigen sind.

Ab 1968 begann die Ära der Dieseltraktion im Bw Arnstadt. Der letzte planmäßige Dampflokeinsatz mit einer Lokomotive der Baureihe 65 erfolgte im Jahr 1979. Das Bahnbetriebswerk Arnstadt, das 1993 dem Bw Meiningen als Einsatzstelle zugeordnet wurde, setzte nun hauptsächlich Diesel- und Elektro-Lokomotiven verschiedener Baureihen ein.

Ende 1992 erhielt das Bahnbetriebswerk Arnstadt einen neuen Status, als ihm sämtliche Traditionslokomotiven der Rbd Erfurt zugeteilt wurden. Engagierten Eisenbahnern gelang es 1994, den dauerhaften Bestand der Anlage des Bahnbetriebswerkes Arnstadt mit der Gründung des Fördervereins Bw Arnstadt/hist. zu sichern und es in das Eisenbahnmuseum Bahnbetriebswerk Arnstadt/hist. umzuwandeln. In den folgenden Jahren waren die Arnstädter Dampflokomotiven häufig die Attraktion bei Sonderfahrten und den sogenannten Plandampfveranstaltungen. Nach dem Fristablauf verschiedenster Dampflokomotiven sind diese nun als Museumsstücke im lebendigen Eisenbahnmuseum Bw Arnstadt/hist. zu besichtigen.