Витебский — самый первый вокзал в России. Первое одноэтажное деревянное здание было возведено в 1837 году для первой в России Царскосельской железной дороги, связавшей Санкт-Петербург и Царское село. Движение на участке Санкт-Петербург — Царское Село было торжественно открыто 30 октября (11 ноября) 1837 года.
В 1849—1852 годах на этом месте было построено каменное здание по проекту архитектора К. А. Тона, просуществовавшее до начала XX века.
Современное здание вокзала построено в 1904 году в стиле «модерн» по проекту академика архитектуры С. А. Бржозовского. В строительстве участвовал гражданский инженер С. И. Минаш. В проекте заложена непривычная для того времени архитектура, включающая обилие металла. Это здание — одна из первых общественных построек в стиле модерн.
Ярко выражена непривычная для начала XX века планировка здания, когда крупные объёмы группируются асимметрично, с учётом их функционального назначения. В этой постройке чётко прослеживается основной принцип построения зданий модерна «изнутри → наружу». Внешний облик здания отражает его внутреннюю конструкцию, которая в свою очередь создана исходя из рациональных соображений.
При открытии вокзал получил восторженную оценку современников. Здание имеет оригинальное купольное завершение, часовую башню, дебаркадер вокзала имеет арочное перекрытие (автор — инженер В. С. Герсон).
Путевое развитие вокзала состоит из 8 путей, вокруг которых сооружены 5 высоких платформ. Первые 4 пути лишены электрификации и заходят под дебаркадер (восточный и центральный нефы). Остальные 4 пути предназначены для пригородного сообщения и электрифицированы, причём пути № 5 и № 6 упираются в западный неф дебаркадера, но не заходят под него. За пределами дебаркадера, на платформах № 1-3 построены навесы.
В 1987 году в специальном стеклянном павильоне установлен макет поезда с паровозом «Проворный», совершившего первый в России рейс из Петербурга в Царское Село в 1837 году.
30 октября 2007 года в честь 170-летия российских железных дорог в Световом зале вокзала открыт памятник Ф. А. Герстнеру — австрийскому инженеру, строителю первой железной дороги в России.
Также Герстнеру и локомотиву Проворный посвящена мемориальная табличка на фасаде здания. Она установлена на изогнутой колоннаде здания, связывающей северный и западный фасады.