В 1849–1851 годах по проекту архитектора Константина Андреевича Тона рядом с деревянным вокзалом было построено новое каменное здание, обращённое своим главным фасадом на Загородный проспект. Весной 1882 года на аттике главного фасада установили часы. В сентябре 1892 года был одобрен проект небольшой двухэтажной пристройки, примыкавшей к торцу бокового флигеля. Именно в таком виде, с небольшими переделками, это здание находилось до начала XX столетия. В качестве самостоятельной Царскосельская дорога просуществовала до 2 января 1900 года, после чего её включили в состав Московско-Виндаво-Рыбинской железной дороги.
После двух реконструкций и расширения, прежний вокзал был разобран и на его месте появился новый, дошедший до нас Витебский вокзал. Это был настоящий шедевр в стиле «модерн», в проекте которого закладывалось необычное для архитектуры того времени обилие металла. Автором его стали архитекторы Станислав Антонович Бржозовский и Сима Исаакович Минаш.
Новый вокзал был торжественно открыт 1 августа 1904 года. В этот же день, в 17.15, отсюда впервые отправился поезд по маршруту Петербург – Витебск и ещё один, пригородный, – на Вырицу. Вот как тогда описывали это событие в газете «Новое время»: «В воскресенье, 1 августа, происходило освящение нового здания вокзала Московско-Виндаво-Рыбинской железной дороги и открытие пассажирского движения по новым путям от этого вокзала. Новый вокзал действительно грандиозный, вполне европейский и пока единственный в России. Обошлась его постройка в миллион рублей, да столько же стоит устройство перекрытий и платформ. Величественный вход с мраморною лестницей, весь в стёклах, будет освещаться в изобилии электричеством». Далее, корреспондент подробно останавливался на всех деталях этого события: «В два часа дня в зале III класса, красиво убранном экзотическими растениями, было совершено молебствие…
Много публики наполнило обширный зал, который служит пока залом первых классов Царскосельского вокзала.
После многолетий и освящения здания подали шампанское и первый царский тост за Государя, Государыню и за новорождённого Наследника Цесаревича провозгласил [товарищ министра путей сообщения и член Государственного совета] В. А. Мясоедов-Иванов. Громкое «ура» разлилось по залам, и певчие лейб-гвардии Семёновского полка запели гимн «Боже, царя храни», повторённый по требованию публики новым «ура». Затем Мясоедов-Иванов сказал несколько слов по поводу сооружения дороги и нового вокзала, указав на то, что всё это потребовало не только много денег, но и много труда, много рабочих, много энергии, и пожелал этому делу благополучного окончания.
Инженер Островский показывал управляющему министерства новый вокзал, как в отстроенной готовой, так и в ещё достраивающейся и отделывающейся части…»
Функциональное предназначение «прочитывалось» при взгляде на здание вокзала со стороны главного фасада, выходившего на Загородный проспект. Он, начиная с высокой часовой башни, представлял собой стилизованное изображение поезда – своеобразный огромный «архитектурный макет», оживлённый с присущей модерну иллюзией движения. Она возникала из-за выполненной по канонам модерна криволинейности очертания фасада. Благодаря такому закруглённому углу со стороны канала вместо узкого прохода образовалась площадка с видом на Императорский павильон. Главный вход наверху был украшен гербами Петербурга и Витебска – конечных пунктов Витебской линии на момент постройки вокзала.
Вот как описывал главные достоинства нового вокзала уже упомянутый выше корреспондент газеты «Новое время»: «Главная идея вокзала – избежать толкотни и встречных течений, так что поезда приходящие имеют отдельные платформы и выходы. Для поездов отходящих въезд один, с Загородного проспекта. Для приходящих поездов устроен особый зал ожиданий, специально для встречающих. Дачные поезда, то есть царскосельской ветви, имеют свою кассу и свой ближайший выход, но при этом для всех есть сообщение со всеми залами и частями вокзала, парикмахерскими и уборными. Отсутствие такого сообщения составляет главный недостаток всех петербургских вокзалов… В новое здание действительно вложено много труда, но и вышло оно достойным столицы».