Строительство началось в 1843 году одновременно с двух сторон — от Петербурга и Москвы. Первым заработал участок Петербург — Колпино: его ввели в эксплуатацию в 1847 году. К лету 1851-го завершили основные работы на двухпутном полотне, однако многие вокзалы и паровозные депо к контрольному сроку ещё не были достроены. В течение восьми лет на стройке ежегодно нанимали около 40 тысяч землекопов.
Для магистрали возвели вокзалы в Петербурге и Москве по проектам архитектора Константина Тона. Проекты остальных 34 станционных зданий разработал Рудольф Желязевич. Станции разных классов располагались на расстоянии от 20 до примерно 160 километров друг от друга, а их здания строили с учётом класса.
Перед официальным открытием дорогу проверили: 18 августа 1851 года в Москву отправился поезд Николая I. По легенде, первую версту рельсов по распоряжению графа Клейнмихеля выкрасили белой масляной краской. Из-за неё колёса буксовали, и жандармам пришлось посыпать путь песком. Император также выходил перед каждым встречным мостом и переходил его пешком, а затем возвращался в поезд.
Первый пассажирский поезд преодолел путь между столицами за 21 час 45 минут. Для сравнения, поездка на лошадях занимала от семи до десяти суток. В 1850-е билет стоил 19 рублей в первом классе, 13 — во втором и 7 — в третьем; поездка на дилижансе обходилась почти в 100 рублей.
Магистраль сначала называлась Петербургско-Московской, после смерти Николая I получила название Николаевской, а в 1923 году стала Октябрьской железной дорогой. В 2028 году с запуском высокоскоростной магистрали обещают сократить время пути между столицами до 2 часов 15 минут.
