При строительстве Царскосельской дороги длиной 25 верст (около 27 км), начатой 1 мая 1836 года, были намного превышены планируемые затраты. Поэтому вместо монументального вокзала, который предполагали возвести на набережной Фонтанки, пришлось устроить временную деревянную станцию на Семеновском плацу (приблизительно на месте, где теперь располагается здание станции метро «Пушкинская»). Расположение ее оказалось более удобным, так как линия не пересекала Загородный проспект.

Станция стояла у проспекта примерно в 70 метрах от Введенского канала. Со стороны Семеновского плаца был проведен специальный «подъезд к станции». Ближе к Обводному каналу находились помещения для паровозов и экипажей, мастерская, сараи, кузницы, дома персонала.

Как уже было упомянуто ранее, торжественное открытие железной дороги состоялось 30 октября 1837 года. Поездом, промчавшимся до Царского Села за 35 минут, управлял сам Герстнер.

Каждый день на Семеновском плацу собирались массы людей, с удивлением смотревших на невиданное зрелище. Паровоз с большой трубой, из которой валил густой дым, тянул за собой длинную вереницу экипажей и грузовых повозок. О приближении поезда возвещал громкий свисток. Эти сигналы наводили «ужас на публику», и вскоре их заменили специальными органами, исполнявшими музыкальные пьесы.

В 1843 году Общество Царскосельской железной дороги приобрело у Кабинета императорского двора большой участок на набережной Введенского канала. Здесь в 1849-1852 годах по проекту К. А. Тона был построен двухэтажный каменный вокзал. Здание, поставленное в линию с корпусами казарм, было обращено главным фасадом на Загородный проспект. В переулок — «подъезд» — выходила высокая аркада. Крытый перрон освещался естественным верхним светом.

На первом этаже находились билетные кассы, багажное отделение и небольшой зал. На втором этаже разместилось правление дороги, а часть помещений была приспособлена для проживания в них служащих со своими семьями. В левом крыле здания находились две императорские комнаты, в которые можно было попасть с бокового подъезда. В правом боковом крыле, протянувшемся вдоль Введенского канала, были устроены залы ожидания. Слева к зданию вокзала примыкала изящная аркада с лестницей, по которой можно было попасть на платформы. Пространство над тремя станционными путями было перекрыто застекленным шатром. Один из путей использовался для перемещения паровоза, прибывшего на вокзал, в обратном направлении.

В 1874-1876 годах вокзал был расширен и перестроен по проекту инженера путей сообщения М. Л. Бернацкого. К тому времени по дороге ежегодно проезжал почти миллион пассажиров.

В 1880 году практически полновластным владельцем Царскосельской дороги стал предприниматель С. С. Поляков. За короткое время дорога была основательно обновлена и приобрела достойный вид.

В январе 1900 года железная дорога перешла в собственность акционерного общества Московско-Виндаво-Рыбинской железной дороги. Началось строительство крупной магистрали — до Витебска и далее до Жлобина. Южнее она соединялась с железной дорогой на Одессу.

Общество предполагало перенести вокзал за Обводный канал, а в противном случае — расширить привокзальную территорию, засыпав Введенский канал. Но удалось приобрести лишь узкую полоску Семеновского плаца и 1-й офицерский полковой флигель за 400 тысяч рублей, на месте которого построили здание правления железной дороги (Загородный пр., 50, не сохранилось). В связи с повышением интенсивности движения подъездные пути были подняты на широкую насыпь высотой около пяти метров и на пересечении с Обводным каналом сделаны транспортные развязки в двух уровнях.

Созданием нового комплекса сооружений руководили академик архитектуры С. А. Бржозовский, инженеры путей сообщения Н. С. Островский и Ф. И. Кнорринг. В 1900-1901 годах на набережной Введенского канала по проекту С. А. Бржозовского была построена станция императорских поездов (ее еще называли Царским павильоном).

Со стороны канала к павильону примыкал небольшой зеленый дворик, огражденный железной решеткой с воротами. Нижняя часть стены и пандус были сделаны из розового гранита. Фасады павильона были отделаны в «греческом стиле», а интерьеры — в стиле «модерн». В здании размещались императорские покои, свитские комнаты и помещения для обслуживающего персонала. Из вестибюля можно было спуститься по широкой деревянной лестнице к платформам. Сюда же попадали из других комнат. Сама же платформа была отгорожена от остальной части вокзала каменной стеной. Часть железнодорожного пути и платформы покрывал навес.

Очень интересны воспоминания последнего дворцового коменданта Николая II генерала В. Н. Воейкова, связанные с Царским павильоном.

«За несколько времени до отбытия императорского поезда из Царского Села дворцовый комендант приезжал на станцию Царской ветки, называвшуюся Царским Павильоном, встречал государя, никогда не заставлявшего себя ждать, и давал приказание поезду тронуться...

...Если государь назначал время своего прибытия, то по его приезду можно было проверять часы. Поэтому я всегда приезжал за 5 минут до назначенного им часа. Однажды, когда отъезд государя был назначен на пять часов, я, подъезжая к Павильону, с удивлением заметил, что парадные двери уже закрыты. Обыкновенно государь проходил через Павильон прямо в поезд; на этот же раз он стоял в гостиной с двумя великими княжнами, причем все трое держали в руках свои часы. Его величество, смеясь, обратился ко мне со словами: «Мы вас ждем. Виноват я, так как приехал на 10 минут раньше».

В пути государь обыкновенно приглашал сопровождавших его лиц в вагон-столовую. Во время утренних поездок предлагался чай, а вечером, после театра или иного собрания, подавалась к чаю холодная закуска. Государь, по-видимому, с удовольствием проводил время в кругу сопровождавших его лиц.

На Петербургском императорском Павильоне государя встречал с рапортом градоначальник».

К началу XX века императорский поезд состоял из 7-10 вагонов: столового, спального, для приемов, свитского, двух великокняжеских, кухонного, вагона 2-го класса для прислуги, двух багажных вагонов. Здесь же в поезде размещались представители железной дороги и техническая бригада. К 1903 году парк императорских поездов состоял из пяти составов: 1) собственный императорский поезд для дальних путешествий по России; 2) поезд Николаевской железной дороги для императрицы Марии Федоровны (состав включал 10 вагонов); 3) императорский поезд для заграничной колеи (состав включал 11 вагонов); 4) пригородный императорский поезд для путешествий в окрестностях Санкт-Петербурга из 13 вагонов; 5) императорский поезд Курской железной дороги для путешествий иностранной и местной знати из 16 вагонов.

К 1901 году были сложены фундаменты основного здания вокзалa. Небольшая длина участка вдоль Загородного проспекта требовала увеличения помещений в глубину с активным использованием верхнего естественного освещения. В поисках оптимального объемно-пространственного решения на основе плана, составленного Бржозовским, в начале того же года был проведен архитектурный конкурс. Но ни один из 24 представленных проектов не был принят. Завершил проектирование сам Бржозовский при участии гражданского инженера С. И. Минаша — автора внутренней отделки. Строительство велось с 1902 по 1904 год под наблюдением гражданского инженера А. Г. Голубкова. Руководил всеми работами инженер путей сообщения Н. С. Островский. 1 августа 1904 года в 5 часов дня с вокзала впервые отправился поезд по маршруту Петербург — Витебск. Вечером этого же дня с вокзала ушел пригородный поезд на Вырицу.

По поводу окончания строительства вокзала «Новое время» писало: «Все имеет свой конец. Окончена даже постройка новой петербургской станции Московско-Виндаво-Рыбинской железной дороги. Какое многосложное наименование! Зато и поезда теперь ходят со второго этажа. Европа!.. Ужасно надоело ездить в деревянную хибарку, приютившуюся в уездном захолустье Семеновского плаца, видом своим напоминающего соборную площадь в Миргороде времен Гоголя».

Вокзал Витебской линии Московско-Виндаво-Рыбинской железной дороги (ныне Витебский) явился одним из первых общественных зданий города, возведенных в стиле модерн. Современники оценивали его как «бесспорно самый интересный среди вокзалов нашей столицы».

Смелая динамичная композиция отличается асимметричной группировкой крупных объемов. Эффектен живописный силуэт высокой часовой башни и мощного купола над вестибюлем. Перед зданием — небольшая площадь (Витебская), удобная для подхода пассажиров. Выходы были сделаны в сторону Семеновского плаца, чтобы потоки людей не пересекались.

План вокзала — также асимметричный, «свободный». Решение его действительно свободно от традиционных приемов, но полностью зависимо от функциональных требований и поэтому рационально. В разнообразии объемного построения и размещения оконных проемов проявился один из основных принципов модерна — принцип проектирования «изнутри — наружу».

Ядро здания — огромный вестибюль высотой около 20 метров. На фасаде ему отвечает сильно выступающий ризалит, прорезанный большой аркой с витражом и увенчанный парапетом. Интересно отметить, что аналогичный прием одновременно был использован в здании магазина и театра Елисеевых на Невском проспекте (1902-1903 гг., арх. Г. В. Барановский).

Вестибюль вокзала как бы погружает зрителя в особый мир. Приглушенный свет вливается через цветные витражи. Обобщенные пятна цвета, плавные «текучие» линии составляют их стилизованный рисунок. На глади стен — растительный орнамент, женские маски, изображения Меркурия — бога торговли и покровителя путешественников. Завершают этот декоративный ансамбль живописные панно с видами Петропавловской крепости и Одесского порта, созданные художниками В. И. Быстрениным и С. И. Дудиным.

Широкая мраморная лестница ведет к залам ожидания на втором этаже, куда подходят и поднятые насыпью платформы. «Картинный зал» (бывший зал пассажиров I и II классов) украшают панно на сюжеты из истории Царскосельской железной дороги. Написаны они художниками Н. С. Самокишем и Е. П. Самокиш-Судковской. В 1950-х годах эту галерею дополнили еще две картины (автор Л. Острова) с изображением Витебского вокзала и нового вокзала в городе Пушкине. Открытой аркой в затейливом обрамлении зал был связан с рестораном. При его реконструкции в 1974 году (арх. А. Е. Васильев) в арку был вмонтирован новый витраж.

Еще одно крупное помещение (первоначально — для пассажиров 3 класса) находится между вестибюлем и часовой башней. При выходе на платформы расположен Световой зал, перекрытый решетчатыми фермами с продольным верхним фонарем. Боковой ряд фонарей верхнего света выхватывает из темноты узкий коридор, расположенный в первом этаже, но не имеющий потолка. Внешняя стена целиком остеклена. Она ограждала пассажиров от паровозного дыма и ветра, позволяя следить за прибытием поездов.

Над платформами и путями сооружены трехпролетное покрытие на двухшарнирных арках и металлические навесы (инженер В. С. Персон). Перекрытия, перегородки и части стен выполнены из железобетона. Для механизированной подачи багажа и почты устроены тоннели и лифт. Между путями расположен диспетчерский пункт — первое в России гражданское сооружение из монолитного железобетона.

Таким образом, комплекс вокзала включил целый ряд инженерно-технических новшеств. Здесь были эффективно использованы возможности естественного освещения, достигнуто ощущение взаимосвязи пространств. Выразителен и архитектурный образ здания. В нем убедительно передано назначение постройки. Вокзал стал главным общественным сооружением Семенцов.

На площадке напротив входа на высоком пьедестале был установлен бюст Николая I. Пьедестал был сделан из красного порфира. По бокам пьедестала располагались мраморные доски, на которых были выбиты надписи: «Первая в России железная дорога — Царскосельская, открыта в царствование Императора Николая I 30 октября 1837 года» и «С. Петербург-Витебская железная дорога открыта в царствование Императора Николая II 11 августа 1904 года». После революции бюст и мраморные доски были убраны, но сейчас это все успешно восстановлено.

В 1987 году на одной из платформ Витебского вокзала в специально возведенном стеклянном павильоне установлен макет поезда во главе с паровозом «Проворный», совершившего первый рейс из Петербурга в Царское Село в 1837 году.

К 300-летнему юбилею Санкт-Петербурга Витебский вокзал был масштабно реконструирован. В первую очередь были полностью заменены инженерные сети, системы водо- и теплоснабжения. Были обновлены электросети, охранная и пожарная сигнализации. Внутри здания отреставрированы вестибюли, залы ожидания, лестничные марши, отремонтирована кровля. На главном фасаде была восстановлена оригинальная лепка и металлодекор. Также были восстановлены большой купол и декоративное мощение пола. Завершили реконструкцию и реставрацию газосветных фонарей. Первозданный вид приобрели парадные лестницы со стороны Винокурцевского проезда.

С вокзала ежесуточно отправляется и прибывает более 26 пар пассажирских поездов дальнего сообщения и до 96 пар пригородных.