És una de les dues edificacions més antigues del conjunt d'instal·lacions de l'actual Museu i la de major extensió de tot el complex (1.500 m2). Catalogada com a Bé Cultural d'Interès Local (BCIL) per l'Ajuntament de la ciutat es va acabar de construir al 1881, a l’hora que l'estació de Vilanova, per a l'arribada del ferrocarril a la ciutat. Es va destinar a la reparació dels vehicles que la Companyia del Ferrocarril de Barcelona a Vilanova i Valls va comprar als Estats Units.
La Gran Nau es va incorporar al conjunt d’instal·lacions del Museu al 1999 i durant més de cinquanta anys es va utilitzar com a un magatzem informal del taller de Renfe i també del Museu. Es trobava en un avançat estat de deteriorament i amb una subvenció del 1,5% cultural del Ministeri de Transport va ser possible la seva complerta rehabilitació i recuperar-la per ampliar l’espai expositiu cobert. Va obrir les seves portes el mes de maig del 2019 amb els actes de celebració del Dia Internacional dels Museus.
Compta amb dues vies centrals, una d'elles amb un tercer carril que permetrà en el futur col·locar un vehicle d'alta velocitat. Originalment les seves dues vies permetien els desplaçaments dels vehicles a la xarxa ferroviària general. Està previst que s’uneixi amb la Nau del Pont-Grua i que al seu interior s’ofereixi una moderna museografia per mostrar el paper innovador del ferrocarril en la historia contemporània.