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 течение 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. 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 возвращали только после окончания поездки.

Первым начальником Николаевского вокзала был назначен Николай Ильич Миклухо-Маклай – отец знаменитого путешественника. Его квартира находилась в самом здании вокзала, кроме того, здесь располагались конторы служащих вокзала, управление железной дороги, жилые квартиры служащих, императорские помещения.

В 1868 году в связи со значительно возросшим пассажиропотоком была начата реконструкция Николаевского 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 1923 году Николаевская железная дорога была переименована в Октябрьскую, то же название получил и вокзал. В 1930 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 1950-х 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. В 1976 году площадка между перронами и новым залом была перекрыта алюминиевым навесом.