Первая российская железная дорога была открыта в 1837 году и соединяла Петербург и Царское Село. Удачный опыт постройки и эксплуатации этой небольшой дороги положил начало развитию железнодорожного дела в России.
Тем не менее в 1830-1840-х годах вокруг строительства железной дороги между Санкт-Петербургом и Москвой разгорелись споры не менее жаркие, чем сегодня споры вокруг строительства высокоскоростной магистрали: против выступали управляющий путями сообщения К. Ф. Голь, министр финансов Е. Ф. Канкрип, генерал-майор М. Г. Дестрем, за — инженеры путей сообщения П. П. Мельников и Н. О. Крафт, побывавшие в Америке и изучившие тамошний опыт строительства железных дорог. Конец разногласиям положил император Николай I: "Сооружение железной дороги между столицами вполне возможно и полезно, и к исполнению сего должно быть немедленно приступлено".
1 февраля 1842 года был подписан высочайший Указ о сооружении железной дороги Санкт-Петербург--Москва. Изыскательскими работами, начатыми в июле 1842 года, руководили П. П. Мельников (на участке Санкт-Петербург--Бологое) и Н. О. Крафт (на участке Бологое--Москва). В 1843 г. этот этап был завершен: дорогу решили проложить по кратчайшему расстоянию. Астрономическое расстояние между Санкт-Петербургом и Москвой составляет 598 верст, длину дороги определили в 604 версты (644 км). Впоследствии при строительстве Веребьинского обхода в 1877 году протяженность дороги увеличилась до 609 верст.
Земляное полотно дороги возводилось шириной 9,45 м и было рассчитано на два рельсовых пути. Земляные работы в основном проводились вручную, только между станциями Валдайка и Березайка применили полученные из Америки паровые землекопы. Было построено 34 железнодорожных станции, 184 моста, проложено 69 водопропускных труб, 19 путепроводов. Вокзалы сооружались под руководством главного архитектора дороги К. А. Тона, в 1847 году его сменил архитектор Р. А. Желязевич. По всей линии построили дорожные казармы, сторожевые дома и переезды через полотно дороги. Между станциями провели телеграф.
По мере завершения работ на отдельных участках начиналось опытное движение. В 1847 году открылось постоянное движение на участке Петербург--Колпино, в 1849-м — Колпино--Чудово, а в 1850-м — на участке Вышний Волочок--Тверь.
1 ноября 1851 года состоялось официальное открытие движения по железной дороге между Петербургом и Москвой. В 11 часов 15 минут из Петербурга отправился пассажирский поезд, который прибыл в Москву на следующие сутки в 9 часов утра. В пути он пробыл 21 час 45 минут.
В первое время между Петербургом и Москвой курсировало два пассажирских и четыре товарных поезда. Пассажирский поезд состоял из семи вагонов, товарный — из 15. Средняя скорость движения составляла тогда 29,6 км/ч.
Постепенно скорость движения поездов увеличивалась, а время, которое пассажиры проводили в пути, сокращалось. Уже в 1913 году поезд из девяти пассажирских вагонов во главе с паровозом серии С Сормовского завода преодолел расстояние от Петербурга до Москвы за то же время, что и современные поезда, курсирующие на этом маршруте,— за 7 часов 59 минут, развивая на некоторых участках скорость 100 км/ч.
В 1932 году на Октябрьской дороге появились пассажирские паровозы серии ИС Коломенского завода и был пущен экспресс "Красная стрела", на перегонах развивавший скорость до 120 км/ч. В 1965-м между Ленинградом и Москвой начал курсировать дневной скоростной поезд "Аврора", способный разгоняться до 160 км/час.
В 1984 году в график движения был введен электропоезд ЭР-200 Рижского вагоностроительного завода, но он ходил только раз в неделю. Этот поезд способен развивать скорость 200 км/ч, а в пути он должен проводить 4 часа 30 минут. Однако из-за плохого состояния путей шел почти 5 часов.