1 февраля 1842 г. император Николай I подписал указ о сооружении железной дороги между Санкт-Петербургом и Москвой: «Я решил ей быть против мнения большинства, призванных мной на совет, надеюсь, что потомство оправдает моё решение». Предварительные и окончательные проекты строительства разработали инженеры путей сообщения П.П. Мельников и Н.О. Крафт. В процессе проектно-изыскательских работ приняты следующие технические параметры: число главных путей – два; ширина колеи – 1524 мм, минимальный радиус кривых на перегонах – 1600 м, на станциях – 1065 м. Инженерный состав сформирован из преподавателей и выпускников Института Корпуса инженеров путей сообщения.

В 1842 г. П.П. Мельников и Н.О. Крафт представили технико-экономические обоснования выбора прямого направления железной дороги без захода в Новгород, с которым император Николай I согласился, сказав следующее: «… Вам господа я намерен поручить приведение в исполнение этого гигантского сооружения… Ежели, как я надеюсь, с божьей помощью удастся довести это великое предприятие до конца, то у меня для вас нет награды, одна достойная вам награда будет – вечная признательность Отечества». Летом 1843 г. приступили к строительным работам. П.П.Мельников возглавил строительство железной дороги от Петербурга до Бологое (Северная дирекция), Н.О.Крафт – от Москвы до Бологое (Южная дирекция).     

Официальное открытие дороги состоялось 1 ноября 1851 г. Первый поезд отправился из Санкт-Петербурга в 11 часов 15 минут и прибыл в Москву в 9 часов на следующий день, находясь в пути 21 час 45 минут. На Санкт-Петербурго-Московской железной дороге, протяженностью 644,5 км, построено 34 станции четырех классов. Вокзалы в Петербурге и Москве возведены по проекту архитектора К.А. Тона, пассажирские здания промежуточных станций – по проекту архитектора Р.А. Желязевича. Всего на магистрали построено 278 искусственных сооружений, в том числе 184 моста, 69 каменных и чугунных труб и 19 путепроводов. Наиболее крупные мосты: Веребьинский – 447,3 м, Мстинский – 550 м и Волховский – 225,5 м. Все большие и средние мосты Санкт-Петербурго-Московской железной дороги проектировались на основании расчетов Д.И. Журавского.

Санкт-Петербурго-Московская железная дорога стала своеобразной лабораторией для испытания новой техники. Здесь впервые были применены многие виды сигналов, системы сигнализации, централизации и блокировки, получившие в дальнейшем распространение на сети железных дорог страны. Подвижной состав для С.-Петербурго-Московской железной дороги начали строить с 1845 г. в Петербурге на Александровском механическом заводе. К открытию дороги построено 162 паровоза и 2670 вагонов разных типов. 

На постройке этой линии сложилась и оформилась русская школа строителей железных дорог и мостов. Она стала памятником творческой деятельности выдающихся российских учёных, инженеров и зодчих. 8 сентября 1855 г. указом Александра II дорога переименована в Николаевскую.