Stasiun Ambarawa atau disebut stasiun Willem I pada masa kolonial tidak terlepas dari upaya pemerintah Hindia Belanda membangun benteng pertahanan militer yang berbasis di Jawa Tengah. Dibangun oleh pemerintah Hindia Belanda pada tanggal 21 Mei 1873. Operasionalisasi Stasiun Willem I benar-benar digunakan sebagai sarana transportasi militer di sekitar Jawa Tengah. Pasca perang Diponegoro 1825-1830 berbagai upaya dilakukan untuk membuat benteng pertahanan. Stasiun Ambarawa dibuat seiring dengan pembangunan jalur kereta api Kedungjati-Ambarawa serta jalur Tuntang-Ambarawa-Jambu-Bedono.
Bangunan Stasiun Ambarawa yang ada sekarang selesai dibangun pada 1907 oleh Nederlandsch-Indische Spoorweg-Maatschappij (NIS). Sebelum itu bangunan stasiun Ambarawa berupa bangunan sederhana yang dibangun pada 1873 dan dibongkar pada 1905 sebagai bagian pembangunan jalur kereta api Yogyakarta – Ambarawa melalui Magelang. Selama sekitar dua tahun masa pembangunan stasiun baru itu didirikan bangunan stasiun sementara dari kayu dan anyaman bambu.
Stasiun Ambarawa mempunyai arsitektur yang sangat mirip dengan arsitektur Stasiun Kedungjati dan Purwosari. Hanya saja ketiga stasiun itu mempunyai bentang atap yang berbeda. Stasiun Ambarawa dengan bentangan atap 21,75 meter adalah yang terbesar. Disusul Stasiun Kedungjati dengan bentang atap 14,65 meter dan Stasiun Purwosari 13 meter. Konstruksi atap itu dibuat oleh Werkspoor Amsterdam yang juga dikenal sebagai pembuat lokomotif.
Di bawah atap berkonstruksi besi dan penutup seng gelombang itu di bagian tengan terdapat berbagai ruangan pelayanan stasiun dan ruang-ruang tunggu. Ruang tunggu kelas 1-2 berupa ruang tertutup dengan bufet dan kamar mandi dan WC tersendiri. Ruang tunggu ini mempunyai lantai ubin yang mempunyai pola yang indah. Ruang tunggu kelas 3 berada di ujung Barat bangunan, berdekatan dengan WC umum.
Ukuran bangunan Stasiun Ambarawa yang relatif besar itu menunjukan arti penting Ambarawa di masa kolonial. Di masa itu Benteng Willem I yang berada di dekat Stasiun Ambarawa merupakan salah satu pusat militer tentara kolonial. Itu sebabnya stasiun yang berada di Ambarawa diberi nama Stasiun Willem I. Willem I (1772–1843) adalah raja Belanda yang pertama.
Stasiun Ambarawa adalah stasiun pulau. Di emplasemen di Selatan dulu terdapat jalur rel 1435 mm menuju ke Kedungjati. Sedang di emplasemen Utara terdapat jalur rel 1067 mm menuju ke Yogyakarta melalui Magelang. Pada saat ini hanya emplasemen Selatan yang digunakan sebagai jalur aktif dengan rel 1067 mm. Dari emplasemen Selatan ini diberangkatkan kereta api wisata ke Bedono yang melalui jalur rel bergerigi satu-satunya di Jawa, dan kereta api wisata ke Tuntang yang menyusuri tepi danau Rawapening.
Sejak 1976, menyusul ditutupnya layanan kereta api Kedungjati – Yogya melalui Ambarawa dan Magelang karena dinilai tak menguntungkan lagi, Stasiun Ambarawa ditetapkan sebagai Museum Kereta Api.
