Вопрос о строительстве железных дорог общего назначения в России рассматривался в 1826 г., тогда правительство сочло строительство нецелесообразным по причинам экономической невыгодности и больших затрат на содержание железных дорог в русском климате, особенно в зимних условиях. В 1930 – 40-х гг. в России развернулась борьба по проблемам строительства железных дорог. Противники создания нового вида транспорта доказывали невозможность и ненужность построения железных дорог в России. Выступавшие за развитие ж.-д. транспорта ученые Петербургского института корпуса инженеров путей сообщения П.П. Мельников, М.С. Волков, Н.О. Крафт, часть торгово-промышленных и банковских кругов, передовая русская общественность, доказывали, что без создания железных дорог – более совершенных, чем водяные и гужевые пути, невозможно успешное развитие промышленности, торговли, всего хозяйства.

В России уже был опыт строительства рельсовых дорог, для рудничных и заводских путей. В 1810 году горным инженером П.К. Фроловым на Алтае на Змеиногорском руднике была построена чугунная дорога длиной 1867 м. на конной тяге. В 1834 г. в Нижнем Тагиле на заводах Демидовых была сооружена чугунная дорога протяжностью 854 м с паровой тягой. Эту заводскую железную дорогу построили крепостные механики отец и сын Ефим и Мирон Черепановы. Для дороги Черепановы по собственному проекту построили и первый отечественный паровоз. Но эту дорогу не считают первой железной дорогой в России, т.к. она относилась не к магистральному, а к промышленному железнодорожному транспорту.

Начало отечественному магистральному железнодорожному транспорту положила Царскосельская железная дорога. Указ о ее строительстве подписал Николай I в апреле в 1836 г. 30 октября (11 ноября) 1837 г. было открыто движение на первой железнодорожной линии С.-Петербург - Царское Село, в мае 1838 г. – до Павловска. Дорога имела длину 27 км. Непосредственным техническим руководителем строительства дороги, автором ее проекта был австрийский инженер, профессор Венского политехнического института Франц Антон Герстнер. Для строительства Царскосельской дороги, было создано акционерное общество, среди его учредителей вместе с Ф.А. Герстнером были граф А.А. Бобринский, промышленник Б.Б. Крамер, немецкие и американские предприниматели.

Дорога была однопутной, с шириной колеи 1829 мм. Строили ее 3 тысячи приписных рабочих, 1,5 тысяч солдат военизированных батальонов. Паровозы, вагоны и рельсы для дороги закупались за границей, в т.ч. на заводе Дж. Стефенсона. В 1838 году в Петербургском технологическом институте для дороги был создан паровоз «Проворный». Средняя скорость поезда – около 50 км. Чтобы заинтересовать пассажиров в поездках по дороге Ф.А. Герстнер построил в Павловске красивое здание, получившее название "Воксал". На вокзале были гостиница, рестораны. В прекрасном парке, приятно было отдохнуть, рядом был сад с фонтанами и эстрадой, где выступали известные дирижеры, вокалисты, устраивались балы и благотворительные концерты.

Первая железнодорожная линия не имела большого экономического значения, служила главным образом для увеселительных поездок петербургской знати. Но она была своего рода опытным полигоном. Царскосельский опыт доказал, что в суровых климатических условиях России железные дороги могут работать устойчиво. Она была важным шагом в распространении железнодорожного транспорта в России

Стремление России быть одной из сильнейших империй мира побуждало к строительству железных дорог. Все более актуальным становился вопрос о строительстве железной дороги С.-Петербург – Москва. В марте 1841 г. Николай I повелел учредить Комиссию для составления предварительного проекта железной дороги между Петербургом и Москвой. Её председателем был назначен А.Х. Бенкендорф. Главными разработчиками проекта стали профессора Института Корпуса инженеров путей сообщения (ИКИПС) П.П. Мельников, Н.О. Крафт, побывавшие в странах западной Европы и США, где изучали строительства железных дорог, представили экономическое обоснование строительства магистрали.

1 февраля 1842 г. Николай I подписал указ о сооружении магистрали Санкт-Петербург – Москва за счет государственного казначейства. Дорогу проложили по кратчайшему расстоянию между двумя столицами, длину её определили в 604 версты (644 км). Впоследствии при строительстве Веребьинского обхода в 1877 г. протяжённость дороги увеличилась до 609 вёрст. По протяжности она превосходила все существовавшие за рубежом магистрали.

 Строительные работы начались летом 1843 г. Строительство велось одновременно с двух сторон двумя дирекциями – Северной и Южной. Северную дирекцию возглавил П.П. Мельников, Южную – Н.О. Крафт. Именно Павел Петрович Мельников, выдающийся инженер, разработал принципы выбора основных элементов проекта – таких, как число главных путей, руководящие уклоны по направлениям, мощность железнодорожных сооружений в зависимости от ожидаемых размеров движения. Он установил принципы размещения и классификации станций, составил впервые в России технические условия на проектирование и строительство земляного полотна, станций, искусственных сооружений и верхнего строения пути.

Впервые стали укладываться широкоподошвенные железные рельсы. По настоянию Мельникова ширина колеи была установлена равной 5 футам или 1524 миллиметра. Эта ширина колеи была выбрана исходя из экономических принципов и удобства проектирования паровозов, стала единой стандартной для дорог России. Дорога строилась 2-х путной, имела 252 искусственных сооружения, в т. ч. 184 моста, 19 путепроводов, 69 водопропускных труб и ряд других устройств. В строительстве дороги участвовали более 800 тысяч рабочих – в значительной части крепостных крестьян. Объем земляных работ, выполненными ими вручную, составил 17 млн. кубометров грунта.

Большой вклад в изыскание, проектирование и строительство железной дороги внесли российские инженеры путей сообщения: Н.И. Липин, И.Н. Загоскин, П.П. Зуев, В.С. Семичёв, А.И. Штукенберг, Н.И. Миклуха, В.А. и И.А. Панаевы и др. Так как инженеров не хватало, многие выпускники ИКИПС сразу направлялись на строительство дороги. Мосты, вокзалы и станции также возводили крупнейшие отечественные инженеры: Д.И. Журавский, С.В. Кербедз, В.И. Граве, С.Ф. Крутиков, Н.И. Антонов. Д. И. Журавский (1821-1891) явился основоположником русской научной школы мостостроения. Вокзалы сооружались под руководством главного архитектора дороги К.А. Тона; с 1847г. – архитектора Р.А. Желязевича.

Открытие движения на Петербурго-Московской магистрали состоялось 1 ноября 1851 г. Средняя скорость поезда составляла тогда 29,6 км/час. В 1854 г. был введён график движения поездов. В сентябре 1855 г. магистраль получила название "Николаевская железная дорога", в честь императора Николая I, с 1923г. – "Октябрьская". Первая в стране магистраль С.-Петербург – Москва сыграла выдающуюся роль в развитии ж.-д. транспорта. На опыте ее строительства и эксплуатации выросло поколение российских инженеров-железнодорожников. Были заложены принципы государственного регулирования строительства и эксплуатации железных дорог.