28 августа 1851 года открыто сквозное железнодорожное сообщение между Москвой и Санкт-Петербургом. Первым начальником железной дороги был назначен инженер путей сообщения А.Н. Романов, до того работавший на Царскосельской линии.
Николаевская дорога стала первой двухпутной казённой железной дорогой в Российской Империи и положила начало созданию в государстве железнодорожной сети общегосударственного значения. Протяжённость дороги составила 604 версты (644 км).
Строительство дороги потребовало решения грандиозных инженерных и организационных задач, больших финансовых вложений, привлечения множества отечественных и зарубежных специалистов и значительного числа рабочей силы. В возведении дороги приняли участие более 800 тыс. рабочих, преимущественно из числа крепостных крестьян. Попытка наладить производство рельсов в необходимом объеме не увенчалась успехом: рельсы для Николаевской дороги пришлось закупать за границей. Были извлечены уроки: в России началось строительство современных прокатных станов. А вот производство паровозов, пассажирских и товарных вагонов было освоено в Санкт-Петербурге, на Александровском чугунолитейном заводе (в настоящее время – Пролетарский завод в составе Объединенной судостроительной корпорации).
На дороге были построены 34 станции четырех классов, каждая из которых имела не менее четырёх железнодорожных путей. На всех станциях I и II класса (всего 9 объектов) построили сооружения для заправки паровозов водой и локомотивные депо. Возведены около 200 мостов на каменных опорах, проложены 70 водопропускных труб, 20 путепроводов, сторожевые дома и переезды. Между станциями использовался телеграф фирмы Сименс. В 1854 году телеграфную линию переложили – она стала воздушной. Три провода подвешивались через изоляторы на деревянные столбы, расставленные с шагом 67 м. В качестве защиты от снежных заносов на железной дороге применялись защитные лесопосадки и деревянные щиты вдоль трассы.
Первыми пассажирами стали военные. За три дня на 9 поездах из Петербурга в Москву по железной дороге были перевезены два батальона лейб-гвардии Преображенского и Семёновского полков, два эскадрона лейб-гвардии Кавалергардского и Конного полков и дивизион гвардейской артиллерии. 31 августа из Санкт-Петербурга отправился царский поезд, который состоял из 9 вагонов.
Официальное открытие магистрали Петербург-Москва 13 ноября 1851 года ознаменовалось пуском первого «всенародного поезда». В 11 часов 15 минут утра поезд из 6 вагонов – двух мягких, трех жестких и одного багажного вагона – двинулся в путь. В поезде было 192 пассажира – 17 пассажиров первого класса, 63 – второго и 112 – третьего класса. Поезд прибыл в Москву в 9 часов утра следующего дня, пробыв в пути 21 час 45 минут. «Санкт-Петербургские ведомости» написали тогда: «1-е ноября останется днем, навсегда памятным для России: в этот день происходило… открытие для публики железной дороги, соединяющей две наши столицы — голову и сердце России».
Существует легенда – в день открытия железной дороги произошел конфуз. Один услужливый царский чиновник, желая выслужиться перед начальством, приказал выкрасить рельсы белой масляной краской. Попав на участок со свежевыкрашенными рельсами, колеса начали буксовать, и поезд остановился. Чтобы уменьшить скольжение колес, пришлось мазать рельсы сажей, образующейся в паровой машине…
Николаевская железная дорога не была первой в России. Уже эксплуатировалась Царскосельская дорога, а на многих крупных предприятиях грузы перевозились по собственным железнодорожным веткам. Но реализация столь масштабного проекта оказала огромное влияние на экономику страны, дав толчок развитию многих отраслей.
Позже к Николаевской железной дороге были присоединены другие линии. Дорога проходила по территориям Петербургской, Московской, Новгородской, Тверской, Псковской, Витебской и Смоленской губерний. Путешествие, вместе с остановками, занимало 19 часов.
Первое время плата за проезд пассажиров от Петербурга до Москвы составляла: в первом классе 19 рублей, во втором — 13 и в третьем — 7 рублей. За меньшую плату людей возили в товарных поездах, а летом — на открытых платформах. Для сравнения: в 1820-х годах стоимость одного билета на дилижанс из Петербурга в Москву составляла 95 рублей, а путь занимал 4-5 суток. За такое же расстояние, пройденное пассажиром на парохода по маршруту Одесса — Керчь, в 1849 году пришлось бы заплатить 16, 9 или 4 рубля за билет 1, 2 или 3 класса соответственно. Перевозка грузов из одной столицы в другую, в зависимости от вида, стоила от 9 рублей 16 копеек до 24,42 р. за тонну. Золото и серебро перевозились за 48,84 р. за тонну груза. В 1834 году стоимость перевозки гужевым транспортом из Москвы в Петербург составляла от 37 до 61 рубля за тонну груза, а из Твери до Санкт-Петербурга водным транспортом по Вышневолоцкой системе — 18 рублей за тонну. Перемещение отдельных вещей по железной дороге стоило: 75 рублей — перевозка дилижанса, 50 р. — кареты, 25 р. — саней, телеги или дрожек, 10 р. — лошади, 5 р. — крупного скота, и в 3 рубля обходилась перевозка собаки.
Практически всю работу по эксплуатации железной дороги выполняли воинские подразделения. В 1851 году было сформировано 14 отдельных военно-рабочих рот, 2 кондукторские и одна телеграфная роты. Небольшое число гражданских чинов в основном были начальниками станций, кассирами и канцелярскими служащими. Военно-рабочие роты, общей численностью 3500 человек, занимались охраной мостов и переездов, а также организацией работы станций. В кондукторских ротах состояли машинисты, их помощники, кочегары и кондуктора, всего 550 человек. Телеграф обеспечивала рота из 290 военнослужащих. С переходом линии к частным владельцам воинские формирования были упразднены.
В 1855 году новая магистраль и вокзал в столице были названы в честь императора Николая I. 27 февраля 1923 года Николаевская железная дорога была переименована в Октябрьскую, а вокзал получил действующее по сей день название – Московский.