Железную дорогу между двумя столицами Российской империи предлагал построить ещё Ф.А. Герстнер. Однако этот вопрос в правительственных кругах официально не рассматривался, т.к. считалось экономически невыгодным строить железные дороги, что подтверждалось эксплуатацией Царскосельской дороги, приносившей большие убытки. Для изучения работы железных дорог в Канаду как наиболее похожею по климату на Россию страну были командированы инженеры П.П. Мельников и Н.О. Крафт. Они, вернувшись в Россию, подняли вопрос о продолжении строительства железных дорог, доказывая их выгодность и перспективность. Однако большинство высокопоставленных чиновников, в том числе все министры царского правительства, по-прежнему не поддерживали этих предложений. Против строительства выступали даже некоторые учёные.

В связи с непрекращающимися спорами в Комитете железных дорог вопрос строительства магистрали рассматривался лично Николаем I. Царь поддержал идею Мельникова и Крафта, и в 1842 году было принято положительное решение. В своем указе Николай I предписывал начать сооружение Петербург – Московской дороги. Были образованы специальный комитет и Особая комиссия по сооружению магистрали, при этом строить дорогу от Петербурга до Бологое поручалось инженеру П.П. Мельникову, а её южную часть – до Москвы – инженеру Н.О. Крафту.

Большие споры между членами комитета возникли при прокладке направления трассы будущей дороги. В частности, предлагалось вести магистраль через Новгород, что удлиняло линию на 85 км (расстояние по прямой равнялось 650 км, а трасса через Новгород – 735 км).

Магистраль строилась, как это и предусматривалось, 9 лет с 1843 по 1851г., стоимость постройки каждого километра составила около 155тыс. рублей, деньги по тем временам очень большие. Средств на постройку в казне не хватило, поэтому правительство вынужденно было прибегнуть к займам, в том числе и у иностранных государств.

Мосты, построенные по проектам выдающихся инженеров – мостостроителей П.П. Мельникова, Д.И. Журавского, С.В. Кербедза, собирались из ферм прочной улучшенной и облегчённой конструкции и обладали большой надёжностью, а мосты через реку Мста и Вербинский овраг были едва ли не лучшими в мире.

Для обеспечения связи между Москвой и Петербургом уложили подземную кабельную линию. В начале эта линия была оборудована телеграфными аппаратами Сименса. Однако эти аппараты на большие расстояния работали крайне ненадёжно и вскоре были заменены телеграфными аппаратами системы Морзе.

Большую работу пришлось проделать для организации чёткого движения поездов, т.к. опыта эксплуатации железных дорог не было. Царскосельская дорога из-за небольших размеров перевозок не могла служить эталоном. Ещё до окончания строительства дороги специалисты Главного управления путей сообщения работали над вопросами организации движения поездов, изучали опыт работы иностранных железных дорог, разрабатывали регламент безопасности движения, порядок пропуска поездов и т.д.

Первоначально управление дорогой осуществлялось по территориальному принципу. Позднее была принята как основная французская система управления службами из единого центра. Опытный период эксплуатации дороги позволил детально отработать вопросы управления.

Первые правила технической эксплуатации Петербург – Московской железной дороги были утверждены законодательно. Законом предусматривалось создание четырёх «составов» администрации: дорожного (пути), станционного, подвижного и «телеграфического». Законодательно также определялись ежесуточные размеры движения: пассажирского (две пары) и грузового (четыре пары). Определён был и состав пассажирских поездов (паровоз с тендером, пять пассажирских, один почтовый и один багажный вагон) и грузового поезда, который должен был состоять из 15 вагонов. Поезда должны были двигаться со скоростью 37,7 версты в час. Паровозные бригады должны были меняться через 150 вёрст, а поездные через 300 вёрст.