Het Modelspoor Museum is gehuisvest in het stationsgebouw van Sneek. Het station is gebouwd in 1883 en is van het type “Derde Staatsaanleg type 2” in neorenaissance bouwstijl, gekenmerkt door de natuurstenen horizontale banden en ornamenten boven de ramen. Stations van hetzelfde type werden ook gebouwd in Tiel, Gorinchem, Appingedam, Delfzijl en Workum. Het ontwerp is van Rijkswaterstaat. De aannemer was B.H. Trooster uit Zwolle, die echter in de loop van 1883 failliet ging, waardoor bij de opening van de spoorlijn Leeuwarden – Sneek het stationsgebouw nog niet klaar was. Het station is op 20 mei 1884 zonder feestelijkheden officieel in gebruik genomen.
Vanaf mei 1999 nam NoordNed de exploitatie van de noordelijke lijnen over van de NS. De stationsrestauratie werd gesloten. Bij het bestuur van Het Nationaal Modelspoor Museum ontstond toen het idee om het museum hierin onder te brengen. In 2004 werd het gebouw geheel gerestaureerd en aan de buitenzijde zo veel mogelijk in originele toestand teruggebracht door NS Vastgoed. Architect Harmen Grunstra uit Bolsward ontwierp de binnenzijde met een zwevende tussenvloer om de bij de verbouwing tevoorschijn gekomen bijzondere dakconstructie zichtbaar te laten.
