28 августа 1851 года было открыто железнодорожное движение между Санкт-Петербургом и Москвой.

Петербурго-московская (так она называлась сначала) дорога стала первой двухпутной казенной железной дорогой в Российской империи. 

Ее протяженность составила 645 километров (604 версты). 

В 1855 году дорога получила наименование Николаевской. Строили ее долго и основательно. Был учрежден Особый вневедомственный комитет, в котором работали и Карл Толь, и Петр Клейнмихель, и сам цесаревич. В апреле 1843-го трассу нанесли на карту, утверждал ее сам император. Для работ нанимали и крепостных, и государственных крестьян. Восьмилетнее строительство обошлось примерно в треть годового бюджета империи.

Первыми дорогу проверили военные. С 14 по 16 августа 1851 года из Петербурга в Москву по железной дороге, на 9 поездах, были перевезены два батальона лейб-гвардии Преображенского и Семеновского полков, два эскадрона лейб-гвардии Кавалергардского и Конного полков и дивизион гвардейской артиллерии.

В 4 утра 28 августа в Москву отправился царский поезд, состоявший из 9 вагонов. Путешествие, вместе с остановками, заняло 19 часов. 

Официальное открытие магистрали Петербург-Москва 1 ноября 1851 года ознаменовалось пуском первого «всенародного поезда». В 11 часов 15 минут утра поезд из 6 вагонов двинулся в путь. В поезде было 17 пассажиров первого класса, 63 — второго и 112 — третьего класса. Поезд прибыл в Москву в 9 часов утра следующего дня, пробыв в пути 21 час 45 минут.

Первое время плата за проезд пассажиров от Петербурга до Москвы составляла: в первом классе 19 рублей, во втором — 13 и в третьем — 7 рублей. За меньшую плату людей возили в товарных поездах, а летом — на открытых платформах. Для сравнения: в 1820-х годах стоимость одного билета на дилижанс из Петербурга в Москву составляла 95 рублей, а путь занимал 4—5 суток. За такое же расстояние, пройденное пассажиром на парохода  по маршруту Одесса — Керчь, в 1849 году пришлось бы заплатить 16, 9 или 4 рубля за билет 1, 2 или 3 класса соответственно.

Первым начальником железной дороги был назначен инженер путей сообщения А. Романов, до того работавший на Царскосельской линии. С 1852 по 1855 года магистраль возглавлял Н. Крафт.

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. 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.