В 1853 году барон Штиглиц совместно с бароном Фелейзином занялся постройкой железной дороги из Петербурга в Петергоф и из Гатчины в Лугу (Балтийская железная дорога). Вокзал был построен для этой железной дороги и с 1853 по 1872 годы назывался Петергофским.

Современное здание вокзала построено в 1855—1858 годах архитектором А. И. Кракау. По бокам здания располагались двухэтажные флигели, левый предназначался для императорской семьи. Перроны имеют стеклянное перекрытие, в витраже фасада установлены действующие поныне часы «Павел Буре». Движение поездов с вокзала открыто 21 июля 1857 года. Современное имя вокзал получил в 1872 году после открытия железнодорожного сообщения с Ревелем (ныне Таллин). Торжественное переименование было приурочено к прибытию на платформу Петербурга поезда из этого города.

В 1931—1932 годах Балтийский вокзал реконструирован. Из-под купола здания убраны пути, боковые входы закрыты, центральный вход сделан на месте трехарочных окон. С 1933 Балтийский вокзал принимает и отправляет только пригородные поезда и по объёму пассажиропотока пригородного сообщения входит в число крупнейших в России.

К левому крылу пристроен наземный вестибюль станции метро «Балтийская» (1955), закрывший несколько витражей светового зала и нарушивший симметрию фасада.

В начале 2000-х годов вокзал был отреставрирован и оснащён автоматической системой контроля оплаты проезда.