28 августа 1851 года открыто сквозное железнодорожного сообщения между Москвой и Санкт-Петербургом. Первым начальником железной дороги был назначен инженер путей сообщения А.Н. Романов, до того работавший на Царскосельской линии. Николаевская дорога стала первой двухпутной казённой железной дорогой в Российской Империи и положила начало созданию в государстве железнодорожной сети общегосударственного значения. Протяжённость дороги составила 604 версты (644 км).
Строительство дороги потребовало решения грандиозных инженерных и организационных задач, больших финансовых вложений, привлечения множества отечественных и зарубежных специалистов и значительного числа рабочей силы. В возведении дороги приняли участие более 800 тыс. рабочих, преимущественно из числа крепостных крестьян. Попытка наладить производство рельсов в необходимом объеме не увенчалась успехом: рельсы для Николаевской дороги пришлось закупать за границей. Были извлечены уроки: в России началось строительство современных прокатных станов. А вот производство паровозов, пассажирских и товарных вагонов было освоено в Санкт-Петербурге, на Александровском чугунолитейном заводе (в настоящее время - Пролетарский завод в составе Объединенной судостроительной корпорации).
На дороге были построены 34 станции четырех классов, каждая из которых имела не менее четырёх железнодорожных путей. На всех станциях I и II класса (всего 9 объектов) построили сооружения для заправки паровозов водой и локомотивные депо. Возведены около 200 мостов на каменных опорах, проложены 70 водопропускных труб, 20 путепроводов, сторожевые дома и переезды. Между станциями использовался телеграф фирмы Сименс. В 1854 году телеграфную линию переложили - она стала воздушной. Три провода подвешивались через изоляторы на деревянные столбы, расставленные с шагом 67 м. В качестве защиты от снежных заносов на железной дороге применялись защитные лесопосадки и деревянные щиты вдоль трассы.
Вокзал в Твери Николаевской железной дороги
Первыми пассажирами стали военные. За три дня на 9 поездах из Петербурга в Москву по железной дороге были перевезены два батальона лейб-гвардии Преображенского и Семёновского полков, два эскадрона лейб-гвардии Кавалергардского и Конного полков и дивизион гвардейской артиллерии. 31 августа из Санкт-Петербурга отправился царский поезд, который состоял из 9 вагонов.
Позже к Николаевской железной дороге были присоединены другие линии. Дорога проходила по территориям Петербургской, Московской, Новгородской, Тверской, Псковской, Витебской и Смоленской губерний. Путешествие, вместе с остановками, занимало 19 часов.
Николаевский вокзал, Санкт-Петербург.
В 1834 году стоимость перевозки гужевым транспортом из Москвы в Петербург составляла от 37 до 61 рубля за тонну груза, а из Твери до Санкт-Петербурга водным транспортом по Вышневолоцкой системе - 18 рублей за тонну. Перемещение отдельных вещей по железной дороге стоило: 75 рублей - перевозка дилижанса, 50 р. - кареты, 25 р. - саней, телеги или дрожек, 10 р. - лошади, 5 р. - крупного скота, и в 3 рубля обходилась перевозка собаки.
Мост Николаевской ж.д. в окрестностях Санкт-Петербурга
Практически всю работу по эксплуатации железной дороги выполняли воинские подразделения. В 1851 году было сформировано 14 отдельных военно-рабочих рот, 2 кондукторские и одна телеграфная роты. Небольшое число гражданских чинов в основном были начальниками станций, кассирами и канцелярскими служащими.
Военно-рабочие роты, общей численностью 3500 человек, занимались охраной мостов и переездов, а также организацией работы станций. В кондукторских ротах состояли машинисты, их помощники, кочегары и кондуктора, всего 550 человек. Телеграф обеспечивала рота из 290 военнослужащих. С переходом линии к частным владельцам воинские формирования были упразднены.