В 1871 году началось движение поездов на участке Полтава — Харьков Харьково-Николаевской железной дороги. Сооружение паровозных мастерских на станции Люботин (1877 г.) относится к периоду строительства участка Мерефа — Ворожба Харьково-Николаевской железной дороги. Со временем Люботин превратился в крупный транспортный узел. Возросшие потребности в перевозках способствовали строительсву нового крупного депо на 12 канав, подсобных цехов, значительному увеличению парка паровозов.

В шестидесятых годах на железных доргах Украины паровозы стали вытесняться тепловозами и электровозами. Грузовые паровозы депо Люботин (ТЧ-4) были отправлены в запас. На первых порах депо было оснащено мощными паровозами Су, а к 1972 г. их заменили тепловозы ТЭП10 производства Харьковского завода транспортного машиностроения им. В. А. Малышева. К этому моменту в депо была произведена реконструкция для перехода цехов на обслуживание нового вида тяги. Впоследствии работники депо успешно освоили эксплуатацию и ремонт тепловозов ТЭП60, ЧМЭ3, а также эксплуатацию электровозов ВЛ10 и ЧС2. С 1987 по 1990 г. весь парк пассажирских тепловозов депо Люботин был заменен на ТЭП70.

С 1979 г. в депо началось освоение электропоездов. На начальном этапе было открыто движение электропоездов на участке Люботин — Буды — Мерефа, а к 1983 году электропоезда приписки ТЧ-4 обслуживали пассажиров на участках Мерчик — Харьков, Харьков — Граково, Харьков — Золочев. Электропоезда, эксплуатирующиеся в депо Люботин, были переданы из моторвагонного депо Харьков.

Ныне в депо Люботин эксплуатируются пассажирские тепловозы серии ТЭП70, маневровые серии ЧМЭ3, пригородные электропоезда постоянного тока ЭР2.

Пассажирским тепловозам из люботинского ТЧ-4 выпала почетная миссия. Они, помимо обычных скорых и пассажирских, обслуживают скоростные поезда «Столичный экспресс» Киев — Харьков. Эти поезда люботинские тепловозы водят на участке Харьков — Полтава. Первый скоростной рейс в июле 2002 г. совершил почетный железнодорожник машинист Леонид Довженко.

Тепловозы ТЭП70 прошли капитальный ремонт в депо Основа (ТЧ-3). За «здоровьем» этих машин следит специальная комиссия, куда входят начальник депо, его заместители и инженерно-технические работники всех причастных подразделений.

Без люботинских локомотивных бригад не обходятся также и перевозки пассажиров на электрифицированных пригородных участках электропоездами ЭР2. Эти электропоезда 60-х гг. выпуска поступили в депо в конце 80-х. Естественно, этот подвижной состав требовал капитального восстановления. Коллективу ТЧ-4 было поручено освоить технологию капитально-восстановительного ремонта электропоездов. В 1996 г. к локомотивному депо были присоединены цеха бывшего вагонного депо. Тогда же началось освоение подъемочного ремонта электропоездов. Рабочие цеха ТР-3 успешно преодолели многие трудности и к началу 1998 года пропустили через ТР-3 все электросекции при хорошем качестве работы.

Интересный факт: когда в депо началось освоение этого технологического процесса, к начальнику предприятия обратились ветераны-железнодорожники с удивительным, на превый взгляд, предложением. Благодаря их инициативе по предоставлению помощи в восстановлении электропоезда деповчане не только в кратчайшие сроки «реанимировали» его, но и сумели повысить в пассажирских салонах уровень комфорта. В июле 2001 года электропоезд ЭР2-537 «Ветеран» совершил первый рейс.

Уже силами 528 деповчан восстановлены электропоезда ЭР2-344 «Слобожанка», ЭР2-379 «Люботинец», ЭР2-354 «Джерело», ЭР2-392 «Юбилейный» (всего в депо 11 электропоездов). В 2003–2004 гг. восстановлены ЭР2-582 «Южная магистраль» (в честь 70-летия дорожной газеты), ЭР2-373 «Промінь», ЭР2-341 «Мрія» ЭР2-870 «Надія» (составленный из разных вагонов — от ЭР3-871, ЭР2-636...). В 2005 году отремонтирован электропоезд ЭР2-571, которому дано название «Легенда», а позже этот поезд был назван именем бывшего начальника депо Б. Э. Петте.

В том же году все электропоезда депо были перекрашены в новую типовую окраску электропоездов Украины. В депо внедрены стенды по контролю за работой тяговых двигателей, редукторов моторных вагонов электропоездов, компрессоров и т.д.

В Люботине также выполняют текущий ремонт электропоездов переменного тока из депо Купянск и Гребенка. А еще предприятие является базовым по капитальному ремонту автосцепного оборудования на всей ЮЖД. В 2003 году люботинская городская администрация признала молодого начальника депо Игоря Кухарчика лучшим работодателем года.

В 2007 г. из службы локомотивного хозяйства выделяется служба пригородных пассажирских перевозок. В связи с этим локомотивное депо преобразуется в моторвагонное. Тепловозы ТЭП70 передаются в другие депо — Смородино, Лозовую, а грузовое и пассажирское движение на участке Харьков — Полтава переводится на электровозы ВЛ82м локомотивного депо Купянск.

В 2008–2010 гг. при перекраске электропоездов постепенно убираются именные названия. В 2010 году в депо переданы несколько электропоездов ЭР2 из моторвагонного депо Харьков. Люботинские электропоезда начинают обслуживать красноградское направление. На электропоездах устанавливаются автоинформаторы и дополнительное ночное освещение дверей вагонов. На Киевском электровагоноремонтном заводе прошли капитальный ремонт электропоезда ЭР2-537 и ЭР2-582.

В 2011 году электропоезд ЭР2-636 прошел капитальный ремонт на Киевском электровагоноремонтном заводе. В этом же году в память о Чернобыльской катастрофе электропоезд получил название «Чорнобилець» («Чернобылец»), хотя ранее такое название носил ЭР2-341.