Здание Николаевского (Московского) вокзала построено в 1847-1851 годах по проекту К. А. Тона, при участии К. А. Желязевича. В фасаде здания архитектор использовал мотивы ратушей западноевропейских городов, башня с часами указывает направление главного входа. Собственно, именно после появления Московского вокзала из перекрёстка Невского проспекта и набережной Лиговского канала появилась Знаменская площадь. Точно такое же здание было построено в Москве, на противоположном конце нового железнодорожного пути (Ленинградский вокзал).
Железная дорога между Санкт-Петербургом и Москвой была построена следующей (второй) после трассы между Санкт-Петербургом и Царским Селом. Поводом к её сооружению стал положительный опыт эксплуатации Царскосельской дороги. Новая трасса стала первой двухпутной железной дорогой в России, стала на то время крупнейшим инженерным сооружением в мире.
Движение по дороге открывалось частями, по мере её строительства. Так, на участке Санкт-Петербург - Колпино поезда начали ходить уже в 1847 году. Первоначально планировалось пустить по новому пути первым царский поезд. Но затем было принято решение испытать трассу путём переброски по ней нескольких составов с войсками. В течении трёх дней в Москву были перевезены два эскадрона лейб-гвардии Кавалергардского и Конного полков, два батальона лейб-гвардии Семёновского и Преображенского полков и дивизион гвардейской артиллерии.
18 августа 1851 года в 4 утра из Николаевского (Московского) вокзала столицы в Москву отправился императорский поезд. Состоял он из 9 вагонов, ехал до Москвы 19 часов. Николай I очень боялся переезда через железнодорожные мосты, и переходил их пешком, следуя за поездом. Для обеспечения безопасности движения вдоль всего пути было расставлено несколько тысяч солдат.
Первый же поезд для простых пассажиров был отправлен только 1 ноября 1851 года. Проезд на нём по тем временам был очень дорогим, не самые состоятельные пассажиры размещались в товарных вагонах, а иногда и на открытых платформах. Желающий отправиться в Москву должен был подать в полицию особое прошение и свой паспорт. После проверки личности пассажиру выдавали билет, а паспорт выдавали только после окончания поездки.
Первым начальником Николаевского (Московского) вокзала стал Николай Ильич Миклухо-Маклай - отец знаменитого путешественника. Его квартира находилась в самом здании вокзала, кроме того здесь располагались конторы служащих Московского вокзала, управление железной дороги, жилые квартиры служащих, императорские помещения.
В 1868 году в связи со значительно возросшим пассажиропотоком была начата реконструкция Николаевского (Московского) вокзала. Был пристроен двухэтажный флигель для приёма багажа, правое крыло здания соединили с царскими покоями.
В 1898 году со стороны Лиговского проспекта было построено кирпичное здание отделения Николаевской железной дороги, перед которым в настоящее время образовалась площадь со стоянкой для такси.
В 1912 году был объявлен конкурс на проект нового здания Николаевского (Московского) вокзала. Появлявшиеся новые технические устройства требовали новых помещений, старое здание не могло их обеспечить. Среди участвующих в конкурсе были В. А. Щуко, И. А. Фомин, Ф. И. Лидваль. Сложность решения заключалась в том, что новый вокзал мог быть расширен только в сторону путей, Знаменская площадь к тому времени уже была сформирована. Одобрение получил проект В. А. Щуко. Было начато строительство корпуса прибытия, который должен был стать левым крылом нового здания. С началом первой мировой войны строительство было прервано, старое здание избежало сноса.
В 1923 году Николаевская железная дорога была переименована в Октябрьскую, то же название получил и вокзал. В 1930м году станция стала именоваться Московским вокзалом.
В июне 1931 года от Московского вокзала отправился первый фирменный поезд - "Красная стрела". 15 декабря 1962 года "Красную стрелу" повёл первый электровоз - ЭР-1-107. Одновременно с электрификацией движения в здании вокзала были сделаны подземные переходы с выходом в город и на станцию метро "Площадь Восстания".
В 1950х годах здание Московского вокзала было реконструировано и расширено. К его правому крылу со стороны Лиговского проспекта был пристроен новый флигель со вторым вестибюлем станции метро "Площадь Восстания". В 1967 году был открыт новый световой зал, что увеличило площадь вокзала на 2700 квадратных метров. Внутри зала был установлен памятник В. И. Ленину работы скульптора Л. А. Месса. В 1976 году площадка между перронами и световым залом была перекрыта алюминиевым навесом.
Московский вокзал занимает третье место в стране по объёму пассажирских перевозок. До недавнего времени фасад здания имел зелёный окрас, в 2005 году восстановлен первоначальный розовый цвет. Бюст Ленина в зале прибытия сменил бюст Петра I.