Балтийский вокзал был построен у Обводного канала в 1853-1857 годах. Железнодорожный узел из Санкт-Петербурга в Петергоф строился во время Крымской войны, из-за нехватки государственных средств его возводили на деньги барона А. Штиглица.
Проект здания вокзала разработал архитектор Александр Иванович Кракау. Он взял за основу часть здания Восточного вокзала в Париже, изменив форму кровли с полукруглой на двускатную. В левом флигеле разместились царские аппартаменты, в правом - помещения для обычных пассажиров. Под дебаркадером было обустроено два пути и три платформы. В витраже на центральном фасаде разместили уличные часы фирмы "Павел Буре".
Открытие движения по новой железной дороге состоялось 21 июля 1857 года. Вокзал был назван Петергофским. 7 июня 1864 года отсюда отправился первый поезд до Ораниенбаума.
В 1860-1870 годах Петергофская железная дорога была соединена с Гатчиной, Нарвой и Ревелем. 19 декабря 1872 года на вокзал прибыл первый поезд из Ревеля, с этого времени вокзал стал называться Балтийским.
В 1917 году Балтийский вокзал стал одним из мест противостояния Военно-революционного комитета и Временного правительства. От ВРК сюда были отправлены 150 солдат Измайловского полка, Временное правительство отправило к Балтийскому вокзалу юнкеров. После прибытия подкрепления красногвардейцев Путиловского завода и Путиловской верфи атака юнкеров была отбита.
В 1931-1932 годах проходила реконструкция вокзала. Из-под купола были убраны железнодорожные пути, на их месте появился зал для пассажиров. Вход в здание был сделан не сбоку, а с центра.
В связи с возросшим пригородным пассажиропотоком в 1930х годах началась электрификация железной дороги. В январе 1933 года от Балтийского вокзала отправилась первая электричка.
В 1955 году по проекту М. К. Бенуа, А. И. Кубасова и Ф. Ф. Олейника к левому крылу вокзала был пристроен павильон станции метро "Балтийская". Над входами в вестибюль были размещены скульптурные медальоны с изображением флотоводцев Ф. Ф. Ушакова, М. П. Лазарева, В. А. Корнилова, П. С. Нахимова и С. О. Макарова. Проект предусматривал такой же павильон с правой стороны от вокзала, где планировалось разместить ресторан и ряд других помещений. Но этот проект так и не был реализован.