Mit Beginn der Bauarbeiten an der Strecke Hannover – Bremen wurden in Nienburg auch Lokbehandlungsanlagen errichtet. Es entstanden ein zweiständiger Lokschuppen, eine Bekohlungsanlage, eine 12-Meter-Drehscheibe und ein Wasserturm im Bereich der heutigen Kopf-und Seitenrampe. Zwischen Hannover und Bremen gab es Lokstationen in Wunstorf, Nienburg und Verden. Hierzu kamen noch die Wasserstationen in Neustadt, Eystrup und Achim. Im Jahre 1866 kam der Bahnhof Nienburg zur „Königlich-Preußischen-Eiusenbahn-Direktion-Hannover“.
Lageplan Nienburg (Weser) Südseite mit Betriebswerk, Zustand 1947
Etwa im Jahr 1904 wurde die Lokstation erweitert. Der Lokschuppen erhilt einen Anbau, so dass jetzt drei Stände zur Verfügung standen. Die 12-Meter-Drehscheibe wurde durch eine 16-Meter-Drehscheibe ersetzt und ein 23 Meter hoher Wasserturm wurde errichtet. Im Jahre 1912 entstand nach den gleichen Plänen ein zweiter Wasserturm, so daß diese beiden Zwillingstürme das Wahrzeichen vom Bahnhof Nienburg waren.
Im Jahre 1912 kamen die Pläne für eine Eisenbahnstrecke von Nienburg nach Minden, was notwendige Erweiterungen erforderlich machte. Das Bahnbetriebswerk errichtete man völlig neu an der Südwestseite des Bahnhofs Nienburg. Im Jahre 1919 entstand eine 23-Meter-Drehscheibe mit 16 Strahlengleisen, von denen 7 überdacht war.
Zwei Schuppengleise führten weiter in eine Lokwerkstatt mit angrenzenden Magazingebäude und seitlicher Laderampe. Es entstanden weiterhin ein Kesselhaus, sowie eine Lokleitung mit Sozialräumen.
Im Jahre 1978 wurde das Gebäude des Bahnbetriebswerk abgerissen und die Lokleitung mit den Sozialräumen im alten Gebäude der Bahnmeisterei Nienburg untergebracht.
Am 14.12.1964 wurde der elektrische Zugbetrieb auf der Strecke Hannover – Bremen aufgenommen. Dies brachte mehrere Lokwechselzüge für Nienburg. Obwohl zunächst nur 8 % der Güterzüge mit E-Lokomotiven gefahren wurden, kam es mehrmals täglich vor, das von E- auf Dampflok und umgekehrt umgespannt werden mußte. Bis zum Fahrplan-wechsel am 30.05.1965 waren alle Lokführer für E-Lokomotiven ausgebildet. Mit Elektrifizierungen der Strecken Verden – Rotenburg und Nienburg – Minden im Jahre 1969 kam es zum Leerstand im Bw Nienburg. Am 05.10.1972 wurde das Bw Nienburg als eigenständige Dienststelle aufgelöst und wurde eine Außenstelle des Bw Seelze. Als 1974 der alte Kohlenladekran schadhaft wurde und sich schon abzeichneten daß Dampflokomoztiven nicht mehr lange fahren würden, verzichtete man auf eine Reparatur und brachte einen fahrbaren Elektrokran zum Bekohlen der Lokomotiven nach Nienburg.
Die letzte Dampflokomotive hatte im Jahre 1977 gehalten. Bereits 10 Jahre zuvor, am 01. Dezember 1967, um 10:39 Uhr war einer der beiden Wassertürme des Bahnhofs Nienburg (Weser) gesprengt worden. 200 Kubikmeter Fassungsvermögen hatte der im Jahre 1904 errichtete Kloß gehabt. Der verbliebene Turm wurde entkernt, und an Privat verkauft.
Neben dem alten Kohlegleis entstand eine Tankstelle für Dieselfahrzeuge. Eine Zapfsäule am Ende vom Gleis 34 ermöglichte es auch den Busfahrern, ihre Fahrzeuge zu betanken.