Сооружение железных дорог, начавшееся в России в 1830 году, внесло значительные изменения в планировку городов. В их исторически сложившуюся застройку оказались включенными многочисленные новые сооружении утилитарного характера. Они располагались в полосах отчуждения, прорезавших или вклинивавшихся в городскую территорию.
Первым вокзалом в стране был Царскосельский (ныне Витебский), не сохранивший первоначального облика, вторым — Николаевский (ныне Московский) вокзал, построенный в 1843–1851 годах.
Разработка проекта вокзала была возложена на одного из опытнейших петербургских архитекторов — К. А. Тона. Производителем работ был архитектор Р. А. Желязевич. Местом для вокзала был избран перекресток Невского проспекта и Лиговского канала.
Сооружение монументального здания вокзала повлекло за собой создание большой городской площади.
Следуя художественным вкусам 1840-1850-х годов, К. А. Тон решил фасады вокзала в формах ренессанса. Его прототипом послужили ратуши западноевропейских городов.
В композицию включена высокая башня, центрирующая фасад, указывающая на местоположение главного входа и в то же время являющаяся часовой башней. Пропорции башни удачны, и она красиво рисуется на фоне неба.
В 1909 году на площади перед вокзалом, носившей название Знаменской, был установлен памятник Александру III работы скульптора П. Трубецкого. Незадолго до Великой Отечественной войны памятник был снят.
В 1950–1952 годах вестибюль и зал ожидания внутри вокзала заново оформлены по проекту, разработанному архитектором В. И. Кузнецовым.
В 1959–1960 годах введено в эксплуатацию новое здание, обращенное фасадом на Лиговский проспект,- второй вестибюль станции метрополитена «Площадь Восстания».