In mei 1868 nemen de Staatsspoorwegen het baanvak Groningen – Winschoten van Staatslijn B in gebruik. Zuidbroek krijgt hierbij een groot standaard stationsgebouw van het nieuwe type derde klasse. Het gebouw kent een ruim en hoog middendeel met afgeschuinde hoeken naar de twee lagere zijvleugels. De Staatsspoorwegen laten diezelfde periode aan de Zaanlijn en in grotere plaatsen in de noordelijke provincies zo’n tien gebouwen van hetzelfde ontwerp neerzetten. In 1912 krijgt het gebouw een kleine uitbouw aan de perronzijde.
In 1959 is het gebouw aanzienlijk verkleind. Zo is de bovenverdieping verwijderd en zijn de zijvleugels met de helft ingekort. Het gebouw krijgt over de gehele breedte een eenvoudig puntdak.
Terwijl de andere soortgelijke stationsgebouwen inmiddels zijn gesloopt, dreigt in 2001 ook het restant van het stationsgebouw van Zuidbroek te verdwijnen. Dat jaar is de stichting Noord-Nederlands Tram & Trein Museum opgericht om het gebouw te behouden en hier een museum te vestigen. De stichting brengt bovendien het stationsgebouw zoveel mogelijk terug in de oude staat. In oktober 2014 is het gerestaureerde gebouw officieel als museum in gebruik genomen.
Tien jaar later zijn er plannen om enkele historische bijgebouwen te reconstrueren. Ook moet het oude stationskoffiehuis aan de overzijde van de straat en de bewaarde goederenloods aan de andere zijde van het emplacement deel gaan uitmaken van het museum.
Op de foto boven dit artikel de spoorzijde van het grotendeels gereconstrueerde stationsgebouw van Zuidbroek op 21 april 2021. Aan de gele band boven de begane grond is de breedte van het originele gebouw na de verkleining in 1959 te zien. De rest van de zijvleugels en de bovenverdieping zijn na de eeuwwisseling teruggebouwd.