Le 20 avril 1944, un bombardement allié visant les installations ferroviaires de la Plaine Saint-Denis, et notamment les gares marchandises de la Chapelle et de la Plaine Saint-Denis, firent l'objet d'un ratissage systématique par une centaine d'avions anglais et américains. Outre de nombreuses victimes dans le quartier, le dépôt fut détruit en quasi totalité les bâtiments. Seuls subsistent, comme vestiges des premières installations, la maison du contremaître et l'emplacement du pont tournant.
La reconstruction en dépôt mixte vapeur et diesel des installations est achevée en 1952 par les ingénieurs Séchaud et Metz.
L'atelier de levage est reconstruit sur les restes d'un atelier préexistant datant de 1920. Cet atelier se divise en trois bâtiments inégaux dont la structure générale est en poteaux de béton à remplissage de brique, chaque bâtiment étant couvert d'une voûte et d'une charpente en béton.
Les installations sont fermées en 1990, et la plupart d'entre elles sont détruites, à l'exception des halls de l'atelier de levage et de l'atelier de réparation du petit matériel. Avant d'être complètement fermé, le dépôt de La Plaine ne comportant plus que la partie « conduite » est devenu une unité de production (UP) du dépôt de Bobigny (1991/1992) puis de celui du Bourget - Drancy à la fermeture de Bobigny. Le dépôt a gardé un roulement diesel et autorail sur la ligne de Petite Ceinture et les lignes Paris - Beauvais - Le Tréport et Paris - Laon jusqu'à la fin des années 1990, moment où la majorité des agents de conduite (ADC) a suivi une reconversion vers les machines électriques, et a intégré l'établissement traction du Bourget - Drancy.