После прокладки железной дороги от Санкт-Петербурга до Царского села, правительство планировало построить еще одну железнодорожную линию - до Петродворца. Однако строительство этой дороги выпало на время Крымской войны, и средств на его завершение в государственной казне не хватало. Делу помог один из самых богатых петербуржцев 19 века - барон А. Штиглиц, взявший на себя финансирование строительства железной дороги.

Место для вокзала, получившего название Петергофский, было выбрано недалеко от Обводного канала, чуть в стороне от участка, где в то время уже начал строиться Варшавский вокзал. Проект здания Петергофского вокзала создал известный архитектор А. И. Кракау, взявший за основу облик Восточного вокзала в Париже. К основному вокзальному зданию было пристроено два боковых флигеля, в одном из которых располагались служебные помещения, кассы и отделение для багажа, а в другом - комнаты для императорской семьи, полностью изолированные от остальных помещений вокзала. Лицевой фасад Петергофского вокзала был украшен большим полукруглым витражом, в который вставили часы фирмы Буре , в двадцатом веке переведенные на электрическое питание и работающие до сих пор.

Первый рейс из Санкт-Петербурга в Петродворец длился один час и десять минут. В нем участвовали многие высокопоставленные жители Санкт-Петербурга, среди которых был и главный спонсор строительства новой железной дороги барон Штиглиц. Впоследствии по этой дороге часто ездили в свою петергофскую резиденцию Николай I и Александр II. Затем линию Петербург - Петродворец проложили до Ораниенбаума (так в то время назывался город Ломоносов), а еще позже соединили с другой железнодорожной веткой, соединявшей Гатчину с прибалтийскими городами Нарвой и Ревелем. Петергофский вокзал после этого был переименован в Балтийский вокзал. Вскоре вдоль участка железной дороги между Петродворцом и Ораниенбаумом появилось множество загородных домов: среди петербуржцев стало модным проводить лето именно в этих местах, так как ехать на такие дачи на поезде было очень удобно.

Именно на Балтийском вокзале появился первый электрический поезд России. Идея замены паровозов на электрички возникла еще в начале 20 века, но ее осуществлению помешали Первая мировая война и Октябрьская революция. В результате к проекту поездов на электрической тяге ленинградские инженеры вернулись только в 1930-е годы. Первые электропоезда отправились с Балтийского вокзала сразу после его реконструкции, необходимость которой возникла из-за возросшего количества его пассажиров. Облик при этом изменился: вместо двух входов в боковые флигели был сделан большой центральный вход. Это изменение, впрочем, было не последним. После Великой Отечественной войны, когда в Ленинграде начали активно строить новые станции метро, к Балтийскому вокзалу пристроили павильон станции метро Балтийская , и в таком виде вокзал дожил до настоящего времени.