Dès 1839, des ateliers dédiés à la maintenance du matériel roulant furent construits à proximité de l' "embarcadère" terminus du chemin de fer de Nîmes à Tarascon. Avec l'ouverture de la ligne Nîmes - Montpellier en 1845, ce site en cul de sac fut dédié aux marchandises et à l'entretien des engins, voyant un dépôt édifié en plusieurs étapes, avec notamment trois rotondes (Sud, Ouest et Nord) bâties dans les années 1880 suivant le type standard du PLM (pierre et piliers de fonte, et même couverture de la zone du pont tournant par une coupole pour certaines). Des ateliers où furent construites des locomotives à vapeur se trouvaient également sur place, mais furent ensuite déplacés en Arles.
Vers 1920, la rotonde Ouest fut reconstruite suivant un type nouveau, en béton armé, proche de celui utilisé à Alès (Ouest), Ambérieu, Montpellier Arènes...
Bien qu'épargné au début de la Seconde Guerre Mondiale (il n'y eut pas de combats dans cette zone de la France), le dépôt n'en subit pas moins des remaniements au niveau de la Rotonde Sud, car celle-ci présentait un affaissement sur elle même, la charpente se déformant si bien que des tirants furent ajoutés en 1941 afin de tenter de la rigidifier. L'affaissement se poursuivant, il fut décidé en 1942 de retirer la toiture, la structure avec ses piliers de fonte étant maintenue temporairement avant la reconstruction de la rotonde avec des voûtes en béton, en préalable à l'électrification des voies ans le cadre de l'équipement de la ligne Sète - Nîmes.
En 1944, des bombardements par les troupes Alliées endommagèrent les voies du triage ainsi que la rotonde Nord, dont plusieurs secteurs furent supprimés, et l'atelier de levage, dont la structure dut être renforcée par des profilés en IPN encore visibles aujourd'hui.
Peu après, en 1946, l'électrification Sète - Nîmes provoque l'électrification de certaines voies (de même, une sous station est bâtie face au dépôt, de l'autre côté des voies principales) afin de permettre la venue d'engins électriques, au début hérités de la Compagnie du Midi. Quatre BB 4100 furent brièvement rattachées au dépôt, ce sont les seules locomotives électriques qu'il a détenu.
La rotonde Sud, dont la structure aux piliers en fonte occasionna des accidents, fut partiellement reconstruite à la fin des années 40 en béton avec des "voutes" semi circulaires inspirées des rotondes type G du PLM.
La rotonde Ouest (béton) démolie vers 1968, alors que la traction vapeur disparait à ce moment. A son emplacement seront construits un parking et la cantine, puis un foyer pour le personnel roulant de passage. La rotonde Nord voit elle aussi son nombre de voies diminuer, et la caténaire de certaines voies du dépôt est supprimée, Nîmes étant un dépôt dédié à la traction thermique : la rotonde Sud et l'atelier adjacent sont destinés au garage et à l'entretien des Diesels et autorails, tandis que la rotonde Nord accueille les engins électriques de passage ainsi que quelques autres engins dont des fourgons chaudière. Les engins électriques seront pour beaucoup fournis par Avignon.
Au début des années 80, alors que des conducteurs nîmois sont parmi les
premiers à rouler sur les TGV dès la mise en route des Paris - Montpellier en
1982, un projet de rationalisation des dépôts dans le Sud de la France voit le
jour : l'existence de trois dépôts (Avignon, Marseille et Nîmes) relativement
proches est jugée contre productive. Nîmes, dédié à la traction Diesel, a subi
une forte chute d'activité suite à l'électrification de Narbonne - Port Bou, de
la ligne de la Rive Droite du Rhône et de ses prolongements dans le secteur de
Fos sur Mer, qui, au contraire, a occasionné une hausse des parcours pour les
engins d'Avignon. Pour équilibrer la charge de travail, il est alors envisagé de rééquiper le dépôt afin d'accueillir des
engins électriques (comme les BB 8100) mais une forte opposition vit le jour :
"le dépôt est thermique, il restera thermique"...
Finalement, en 1987, le dépôt de Nîmes perdit tout ses engins titulaires et
devint un dépôt relais ; quelques années plus tard, il récupéra les services de
l'équipement
auparavant localisés au dépôt de Lunel,
définitivement abandonné.
Depuis 2001, un couplage de BB 67200 est présent en permanence, prêt à intervenir en cas de panne d'une rame TGV. A noter qu'il est arrivé que ces dernières fréquentent le dépôt de Nîmes lorsque les garages à Montpellier Arènes étaient saturés : les rames revenaient haut le pied à Nîmes et étaient garées sur les voies bordant le Nord du dépôt, près des halles Sernam (messageries).
A partir de 2006, et après une période d'atermoiements (le site de Courbessac fut envisagé), un atelier dédié aux automotrices Z2 et Z 27500 fut construit à proximité du dépôt, à l'emplacement d'anciennes voies dédiées aux messageries et inutilisées depuis plusieurs années, les halles Sernam étant à l'abandon. Cela permit à Nîmes de redevenir titulaire d'engins moteurs en mars 2008, le parc moteur de la région Languedoc Roussillon étant jusqu'alors réparti hors de la région, entre les gérances de Toulouse et de Marseille (rare cas de région française faisant entretenir son matériel moteur ailleurs, même si les voitures sont affectées à Cerbère).
En 2011-2012, le succès de ce nouvel atelier provoqua l'équipement de deux voies de la rotonde Sud, à proximité du Musée, qui les a rétrocédées, pour la maintenance légère des autorails X 73500, ces derniers continuant à se rendre à Toulouse pour les travaux plus importants. De même, les B 81500 bimodes ont leurs niveaux de maintenance les plus élevés toujours effectués à Marseille Blancarde.
Suite à la construction du raccordement direct de Courbessac, ouvert en mars 2013, les voies d'entrée du dépôt sont maintenant enjambées par le viaduc.
Dans les prochaines années, il est prévu de démolir les halles Sernam, inutilisées et en piteux état, afin de réutiliser les terrains pour une opération immobilière déjà entamée dans le quartier adjacent (projet Hoche Sernam).
Pour davantage d'informations sur le dépôt de Nîmes, veuillez vous référer au livre Nîmes et le Rail publié par les Editions du Cabri en 2001.