Сооружение временного деревянного станционного здания началось 9 августа 1837 года и было завершено в конце сентября. Спустя десять лет, в 1848 году, в связи с увеличением пассажиропотока, было принято решение о строительстве нового здания.

Новый каменный двухэтажный вокзал был возведен рядом со старым зданием в 1849–1851 годах архитектором К. А. Тоном. Тем не менее, и это здание вокзала через несколько лет также оказался недостаточно вместительным и достраивалось в 1876–1882 годах.

1 августа 1904 года, одновременно с вводом в эксплуатацию Московско-Виндаво-Рыбинской железной дороги, состоялось официальное открытие действующего Витебского вокзала Санкт-Петербурга, выполненного по проекту архитектора С. А. Бржозовского в содействии с гражданским инженером С. И. Минашем.