Die damals noch selbstständige Stadt Cannstatt, erst 1905 mit Stuttgart vereinigt und seit 1933 Bad Cannstatt, besaß bereits seit 1898 eine elektrische Straßenbahn mit zwei Linien. Betreiberin war die Cannstatter Straßenbahn GmbH (CSB), ein Tochterunternehmen der SSB, das keine eigenen Fahrzeuge und auch keinen eigenen Betriebshof besaß. Alle auf der CSB eingesetzten Straßenbahnwagen kamen von der SSB. Im Jahr 1918 ging die CSB in der Muttergesellschaft SSB auf, nachdem mit der Vereinigung von Stuttgart und Cannstatt schon seit 1905 die rechtlichen Grundlagen dafür bestanden.
Die Ausdehnung der Verkehrsleistungen der SSB und die Beschaffung neuer und größerer Fahrzeuge führten zu einem steigenden Bedarf an Abstellmöglichkeiten. Gleichzeitig waren die aus der Frühzeit der Straßenbahn stammenden Anlagen immer weniger für die Anforderungen des modernen Betriebs geeignet. Um im Straßenbahnnetz kurze Ausrückwege zu haben, entstanden in vielen Vororten neue Betriebshöfe. In den 1920er Jahren war ein Ersatz für den von der Stuttgarter Pferde-Eisenbahn (SPE) stammenden Betriebshof in Stuttgart-Berg dringend notwendig, der Neubau erfolgte in Bad Cannstatt auf dem seinerzeit noch unbebauten Grundstück. Zuvor stand auf diesem Platz, genauer auf dem rückwärtigen Teil zur Daimlerstraße hin, das Gaswerk der Stadt Cannstatt.
Zur gleichen Zeit wurden bereits bestehende SSB-Betriebshöfe erweitert, um zusätzliche Fahrzeuge aufnehmen zu können. Mit dem neuen Standort an der Mercedesstraße waren nun die auf der rechten Neckarseite verkehrenden Straßenbahnlinien 1, 11, 12, 13, 14, 21 und 22 sowie in der Hauptverkehrszeit die Linien 5E, 12E und 13E auf kurzen Wegen zu bedienen; das „E“ steht für „Einsatzwagen“, die nur während des Hauptverkehrs die Linie bedienten. Insgesamt 145 zweiachsige Trieb- und Beiwagen für zusammen 46 Züge konnten hier ab 1929 untergestellt werden.
Unter Berücksichtigung der topographischen Verhältnisse bestand der Betriebshof aus zwei Teilen auf unterschiedlichen Höhen. Die sogenannte Obere Halle hatte ihre Zufahrt von der Mercedesstraße, durch ein noch immer bestehendes Gleisdreieck waren Ein- und Ausfahrten sowohl in Richtung König-Karl-Brücke als auch in Richtung Talstraße und zum Stadion möglich. Bei der unteren Halle lag die Zufahrt an der Daimlerstraße, hier befanden sich ursprünglich Weichenverbindungen, die Ein- und Ausfahrten in und aus Richtung Mercedesstraße und der Cannstatter Innenstadt erlaubten.
Zum Betriebshof gehörte von Anfang auch ein fünfstöckiges Dienstgebäude, in dessen Erdgeschoss Dienstzimmer sowie Arbeitsräume und in dessen Obergeschossen sechs Dienstwohnungen untergebracht waren.
Der aus rotem Backstein errichtete, im Grundriss trapezförmige SSB-Betriebshof ist von Sachlichkeit geprägt. Neben ihrer gestalterischen Qualität weist die Anlage auch noch eine bautechnische Besonderheit aus, nämlich die Dachkonstruktion der beiden Abstellhallen. Hierbei handelt es sich um Holzträger, die weitgehend stützenfrei auf den Außenwänden aufliegen. Diese sogenannten Epple-Binder, benannt nach der früher in Degerloch ansässigen Baufirma, begründen maßgeblich den Status des Gebäudes als Denkmal. Für den Straßenbahnbetrieb boten diese Vorläufer der Holzskelett-Bauweise den Vorteil der flexiblen Raumnutzung und der geringeren Unfallrisiken: Die Gefahr, z.B. zwischen einer Stütze und einem Wagen eingequetscht zu werden, war bei der im Betriebshof Cannstatt gewählten Konstruktion ausgeschlossen. Diese Bauform fand auch im Lokschuppen des ehemaligen Betriebswerks Stuttgart-Rosenstein Verwendung.
Nach dem Erwerb des hinter dem Betriebshof zur Daimlerstraße hin gelegenen Grundstücks wurde 1958 den Gebäudeteilen von 1929 ein viergeschossiges Dienstgebäude hinzugefügt. Darin befanden sich zunächst im Erdgeschoss die Güterstelle und später die Fahrschule, im ersten Obergeschoss die Kantine und in den beiden obersten Stockwerken das Ledigenheim für bis zu 66 SSB-Beschäftigte.
Der bestehende Betriebshof selbst wurde 1964/65 auf dem schon für das Ledigenheim erworbenen Gelände erweitert und angepasst. Um die betrieblichen Abläufe zu verbessern und vor allem um die mittlerweile in rund 300 Exemplaren vorhandenen Triebwagen des Typs GT 4 adäquat betreiben zu können, wurde der Betriebshof für den Einsatz von Wagen angepasst, die im normalen Betrieb stets nur in eine Richtung fuhren. Mit diesen neuen Einrichtungsfahrzeugen, die nur Türen auf einer Wagenseite hatten, war es nicht mehr möglich, beim Ausrücken einfach in die Gegenrichtung zu fahren. Um den Einrichtungsverkehr zu ermöglichen, baute die SSB eine Rampe von der Oberen Halle in Richtung Daimlerstraße, woran im Übrigen auch der Höhenunterschied auf dem Grundstück sichtbar wird. Damit konnten nun die neuen GT 4 von der Mercedesstraße ein- und über die Daimlerstraße ausfahren.
Teil der Baumaßnahmen war auch die Verlängerung der Oberen und der Unteren Halle um rund 50 Meter, wobei die Untere Halle nun bis 2007 über die Rampe und anschließendes Zurücksetzen in die Halle selbst angefahren wurde. Diese Erweiterung diente der Abstellung weiterer und vor allem längerer Züge und im Falle der Oberen Halle zur Einrichtung einer Wasch- und Werkstatthalle. Unter diesen Teil des Anbaus wurde außerdem eine Mitarbeiter-Tiefgarage für 49 Pkw eingebaut, was ein Beleg dafür ist, dass auch bei SSB-Angehörigen die Motorisierung Mitte der 1960er Jahre vorangeschritten war.
Anlässlich der grundlegenden Umgestaltung der Straßenbahnanlagen in Bad Cannstatt ab den 1970er Jahren wurde die Zufahrt auf das Tor an der Mercedesstraße und die Ausfahrt auf die Daimlerstraße in Richtung Mercedesstraße reduziert, sodass die Halle heute innerhalb einer großen Schleife um den westlichen Teil des Veielbrunnenquartiers liegt. Nach den Erweiterungen konnten im Betriebshof 5 in beiden Hallen 93 Straßenbahnwagen zunächst für die Linien 1, 13, 14 und 21 untergebracht werden. Als Folge einer auf der Fläche erforderlichen Altlastenbeseitigung – hier hatte sich das Gaswerk der Stadt Cannstatt befunden – wurden um 2010 die Neubauten abgerissen, die Rampe wurde neu hergestellt, die Gleisverbindungen in reduzierter Form ebenso.
Mit der Umstellung auf Stadtbahnbetrieb ab 1985 wurden die meterspurigen Betriebshöfe in Stuttgart Zug um Zug außer Betrieb genommen. Für den Betriebshof in Bad Cannstatt stellte sich in den 1990er Jahren die Frage, ob nicht die Untere Halle frühzeitig stillzulegen und die ab Mitte der 1990er Jahre absehbar verbleibenden Meterspurlinien 2, 13 und 15 auf die Betriebshöfe in Cannstatt und Zuffenhausen zu verteilen wären. Dies hätte es ermöglicht, nach Umstellung der Linie 13 1997 und 2 im Jahr 2002 den Standort Cannstatt aufzugeben.
Weil für den denkmalgeschützten Betriebshof 5 eine langfristige Erhaltung absehbar war, wurde stattdessen nach Umstellung der Linie 4 der Betriebshof Zuffenhausen 1994 stillgelegt. Nun fuhren alle verbliebenen Meterspurfahrzeuge von Bad Cannstatt aus und die Untere Halle blieb zunächst in Betrieb. Ein Umbau für die regelspurigen Stadtbahnwagen war nicht möglich. Zwischen 2002 und 2007 war in Bad Cannstatt nur die verbleibende Linie 15, die noch zwischen Ruhbank und Stammheim verkehrte, beheimatet.
Mit dem Ende des traditionellen Straßenbahnbetriebs im Dezember 2007 war der Cannstatter Betriebshof entbehrlich. Gleichzeitig wurde durch vorübergehende Stilllegung des Nordasts der Linie 15 von Zuffenhausen Kelterplatz bis Stammheim die Nutzung des seit 1995 an der Strohgäustraße bestehenden Straßenbahnmuseums Zuffenhausen unmöglich gemacht. So entschloss sich die SSB, ein neues Museum in der Unteren Halle des denkmalgeschützten ehemaligen Betriebshofs Bad Cannstatt einzurichten.
Die ab 2002 mit der Umstellung der Linie 2 nicht mehr benötigte untere Halle wurde saniert, während in der Oberen Halle noch der Betrieb lief. Ab Dezember 2007 wurde das Erdgeschoss des früheren Dienstgebäudes zum Eingangsbereich, Verkaufsstand und vor allem zur Museumsgastronomie mit eigener Küche umgestaltet. Die eigentliche Ausstellung befindet sich in der rund 2.500 Quadratmeter großen Unteren Wagenhalle, die trotz einiger nutzungsspezifischer Veränderungen nach wie vor in ihrer Funktion erkennbar ist. Zu den sichtbarsten äußeren Veränderungen gehören die neuen Oberlichtfenster, die den ursprünglichen Bauzustand aufgreifen und herstellen. Bei allen baulichen Maßnahmen waren neben den baurechtlichen Anforderungen an eine Versammlungsstätte, zu denen auch ein Museum zählt, auch die Vorgaben des Denkmalschutzes zu beachten.
Im Juli 2009 wurde das neue Stuttgarter Straßenbahnmuseum unter dem Namen „Straßenbahnwelt Stuttgart“ feierlich durch den damaligen Oberbürgermeister Wolfgang Schuster eröffnet. Seither zeigt das von SSB und dem Verein Stuttgarter Historische Straßenbahnen (SHB) betriebene Haus die Nahverkehrsgeschichte der Landeshauptstadt und der sie umgebenden Kommunen. Dabei geht es neben der Straßenbahn auch um die Geschichte der seit 1985 verkehrenden Stadtbahn und um die Entwicklung des Omnibusbetriebs der SSB, der im Übrigen 1926 in Cannstatt seinen Anfang genommen hatte und dessen früherer Betriebshof direkt neben der Straßenbahnwelt liegt.
Das Baudenkmal Betriebshof 5 bietet den ebenso passenden wie angemessenen Rahmen für die Darstellung eines wichtigen Stücks Stadtgeschichte seit 1868, dem Betriebsbeginn der ersten Pferdebahn in Stuttgart.