Вітебський вокзал є кінцевою станцією першої російської залізниці. Вона поєднала Санкт-Петербург з Царським Селом, називалася Царскосельской, також назвали тоді і вокзал - Царскосельским. Залізниця будувалася під керівництвом професора Віденського Політехнічного інституту Франца Антона фон Герстнера. За його планом вокзал повинен був знаходитися на березі Фонтанки. Однак коштів вистачило тільки на будівництво самої дороги і вокзалу в Царському Селі, так як плановані витрати на спорудження залізниці були значно перевищені. Тоді було вирішено побудувати тимчасову станцію на Семенівському плацу у Загороднього проспекту , Що і було зроблено.
Перше дерев'яна будівля Вітебського (Царськосельського) вокзалу являло собою платформу, приміщення для пасажирів і примикають службові будівлі. Станція стояла приблизно в 70 метрах від Введенського каналу, приблизно на тому місці, де тепер знаходиться вестибюль станції метро "Пушкінська". У Обвідного каналу знаходилися приміщення для паровозів, екіпажів, майстерня, сараї, кузні, будинки для персоналу.
Перший потяг з Вітебського вокзалу відправився 30 жовтня 1837 року, рівно о 12 годині 30 хвилин. Його вів сам фон Герстнер. З Петербурга до Царського Села поїзд дістався за 35 хвилин, що тоді стало рекордом. Там з цієї нагоди було влаштовано банкет, після чого пасажири вирушили назад до столиці тим же поїздом. Під час проходження фон Герстнер хотів показати всі достоїнства нового засобу пересування, швидкість поїзда досягала більше 60 верст на годину, що тоді було вкрай швидко. З Царського Села в Санкт-Петербург складу дістався за 27 хвилин.
Петербуржці стали приходити сюди просто заради того щоб побачити прибуття поїзда, що супроводжувалося гучним сигнальним свистом. Через кілька тижнів його замінили на органну мелодію.
У 1843 році Товариство Царскосельской залізниці викупило додаткову ділянку на березі Введенського каналу. Тут за проектом архітектора К. А. Тона в 1849-1852 роках було побудовано новий кам'яний двоповерховий вокзал. Будівля стояла в один ряд з корпусами казарм по Заміському проспекту. У 1874-1876 роках Вітебський вокзал був розширений і перебудований.
З 1900 року Царскосельская лінія стала належати Московсько-Віндаво-Рибінській залізниці, яка побудувала шлях до Вітебська. Нові власники планували перенести Вітебський вокзал за Обвідний канал, або розширити його територію за рахунок засипки Введенського каналу. Але вдалося придбати лише ще частина Семенівського плацу і 1-й офіцерський полковий флігель за 400 000 рублей, на місці якого побудували будівлю правління залізниці (Заміський пр. 50). У зв'язку з високою інтенсивністю руху земляний насип під'їзних шляхів була піднята а висоту до п'яти метрів, на перетині з Обвідним каналом були зроблені розв'язки в двох рівнях.
У 1900-1901 роках на березі Введенського каналу було побудовано станцію імператорських поїздів (Царський павільйон). Саме сюди прибували потяги, якими користувалася імператорська сім'я.
Нова будівля Вітебського вокзалу зводилося в 1900-1904 роках за проектом С. А. Бржозовского, інженерів шляхів сполучення Н. С. Островського і Ф. І. Кнорринга. За перший рік будівництва вдалося скласти фундаменти основного корпусу. Для знаходження оптимального об'ємно-просторового рішення тоді ж був організований конкурс. Жоден з 24 представлених проектів тоді не був прийнятий. Проектування все-одно завершив сам Бржозовський. Будівництво велося в 1902-1904 роках під наглядом цивільного інженера А. Г. Голубкова.
Станція Вітебської лінії Московсько-Віндаво-Рибінській залізниці стала одним з перших петербурзьких громадських будівель з фасадом в стилі модерн. Як і в тоді ж побудованому Елисеевском магазині , Стіну будинку розкрила велику арку з вітражем. Перед нею була створена невелика Вітебська площа.
Внутрішньою обробкою будівлі займався цивільний інженер С. І. Мінаш. Стіни вестибюля Вітебського вокзалу прикрашені орнаментами, ліпниною. Зображення бога Меркурія уособлює подорожі і торгівлю. Пізніше вестибюль прикрасили панно із зображенням Петропавлівської фортеці і порту в Одесі. Їх створили художники В. І. Бистренін і С. І. Дудін. На другому поверсі знаходиться "Картинний зал" (колишній зал пасажирів I і II класів), прикрашений панно із зображеннями історії Царскосельской залізниці і її вокзалів. Їх написали художники Н. С. Самокиш і Е. П. Самокиш-Судковська. Картинний зал пов'язаний з рестораном. Зал пасажирів III класу знаходився між вестибюлем і годинниковою вежею. До виходів на платформи веде Світловий зал. Металеві укриття перонів виконані за проектом інженера В. С. Персона.
Вітебський вокзал був обладнаний за останнім словом техніки. Для автоматизації подачі багажу і пошти тут був влаштовані спеціальні тунелі і ліфт. Між шляхами розташувався диспетчерський пункт - перша в Росії громадянське споруда з монолітного залізобетону.
1 серпня 1904 року в 5 годин дня звідси вперше відправився поїзд до Вітебська. На початку ХХ століття станція стала називатися Вітебським вокзалом.
Стіни "Картинного залу" в 1950-х роках були доповнені панно художника Л. Островой з зображеннями Вітебського вокзалу і нової станції в місті Пушкіні. У 1974 році проводилася реконструкція ресторану за проектом архітектора А. Е. Васильєва.
На честь 150-річчя від дня створення першої російської залізниці (в 1987 році) на території Вітебського вокзалу було встановлено макет паровоза "Моторний", того самого паровоза який вів професор фон Герстнер. Остання реставрація Вітебського вокзалу проводилася напередодні 300-річчя Санкт-Петербурга.
