Витебский вокзал является конечной станцией первой русской железной дороги. Она соединила Санкт-Петербург с Царским Селом, называлась Царскосельской, также назвали тогда и Витебский вокзал. Дорога строилась под руководством профессора Венского Политехнического института Франца Антона фон Герстнера, по его плану вокзал должен был находиться на берегу Фонтанки. Однако средств хватило только на строительство самой дороги и вокзала в Царском Селе, планируемые затраты на сооружение железной дороги были значительно превышены. Тогда было решено построить временную станцию на Семёновском плацу у Загородного проспекта, что и было сделано.
Первое деревянное здание Витебского (Царскосельского) вокзала представляло из себя платформу, помещение для пассажиров и примыкающие служебные постройки. Станция стояла примерно в 70 метрах от Введенского канала. У Обводного канала находились помещения для паровозов, экипажей, мастерская, сараи, кузницы, дома для персонала.
Первый поезд с Витебского вокзала отправился 30 октября 1837 года, ровно в 12 часов 30 минут. Его вёл сам фон Герстнер, из Санкт-Петербурга до Царского Села поезд добрался за 35 минут, что тогда стало рекордом. Там по этому случаю был устроен банкет, после чего пассажиры отправились обратно в столицу тем же поездом. Во время следования фон Герстнер желал показать все достоинства нового средства передвижения, скорость поезда достигала более 60 вёрст в час, что тогда было крайне быстро. Из Царского Села в Санкт-Петербург состав добрался за 27 минут.
Петербуржцы стали приходить сюда просто ради того чтобы увидеть прибытие поезда, сопровождавшееся громким сигнальным свистом. Через несколько недель его заменили на органную мелодию.
В 1843 году Общество Царскосельской железной дороги выкупило дополнительный участок на берегу Введенского канала. Здесь по проекту К. А. Тона в 1849-1852 годах было построен новый каменный двухэтажный вокзал. Здание стояло в один ряд с корпусами казарм по Загородному проспекту. В 1874-1876 годах Витебский вокзал был расширен и перестроен.
С 1900 года Царскосельская линия стала принадлежать Московско-Виндаво-Рыбинской железной дороге, которая построила путь к Витебску. Новые владельцы планировали перенести Витебский вокзал за Обводный канал, либо расширить его территорию за счёт засыпки Введенского канала. Но удалось приобрести лишь ещё часть Семёновского плаца и 1-й офицерский полковой флигель, на месте которого построили здание правления железной дороги (Загородный пр., 50). В связи с высокой интенсивностью движения земляная насыпь подъездных путей была поднята а высоту до пяти метров, на пересечении с Обводным каналом были сделаны развязки в двух уровнях.
В 1900-1904 годах возводилось новое здание Витебского вокзала по проекту С. А. Бржозовского. На берегу Введенского канала был построен Царский павильон. Именно сюда прибывали поезда, которыми пользовалась императорская семья. Само здание вокзала сменило свой облик. Стены вестибюля были украшены орнаментами, лепниной. Изображение бога Меркурия олицетворяет путешествия и торговлю. Позднее вестибюль украсило панно с изображением Петропавловской крепости и порта в Одессе. В ХХ веке здесь появились панно с изображением истории Царскосельской железной дороги и её вокзалов. В начале ХХ века станция стала называться Витебским вокзалом.
В честь 150-летия со дня создания первой российской железной дороги на территории Витебского вокзала был установлен макет паровоза "Проворный", того самого паровоза который вёл профессор фон Герстнер.
