Получив концессию, общество в I860—1862 годах проложило в Подмосковье первый участок железной дороги в 66 верст, соединивший Москву с Троицей. В строительстве участвовало около шести тысяч рабочих, смета составила четыре миллиона рублей, три из которых Мамонтов вложил из собственного кармана. Оставшийся миллион выручили за счет продажи акций. Кто их только не покупал! Во-первых, вся семья Мамонтовых, во-вторых, великие князья, дети императора Александра II, ну и все остальные, желавшие поддержать благое начинание даже не из ожидания прибыли, а из патриотических соображений, ибо дорога строилась исключительно на российские деньги.
К 1862 году на Каланчевском поле вырос и новый вокзал, построенный по проекту петербургских зодчих Романа Ивановича Кузьмина (1811-1867) и Смарагда Логиновича Шустова (1789-1870). Профессор Кузьмин много строил в Северной столице, но его архитектурные интересы простирались далеко за пределы Российской империи. Ему, например, принадлежит проект знаменитого собора Александра Невского в Париже, работал Кузьмин и над восстановлением русской посольской церкви в Афинах. А Шустов немало потрудился над проектами театральных зданий, служа в Дирекции петербургских императорских театров.
Принимать дорогу прибыла высокая комиссия из Департамента железных дорог. 12 августа 1862 года обнародовали положительное заключение: «Рельсовый путь хорош, местами откосы балласта не досыпаны, мосты прочны. Водоснабжение обеспечено, на Троицкой станции водопровод оканчивается. Телеграф в действии, станционные дома удовлетворительны для приема пассажиров, мебель расставляется. Подвижной состав достаточен. Личный состав по движению имеется. Упомянутые неоконченные работы могут быть исполнены в четыре дня».
Об открытии вокзала 17 августа 1862 года объявили московские газеты: «Правление Московско-Ярославской железной дороги извещает, что с 18-го числа августа открывается ежедневное движение от Москвы до Сергиевского Посада, на первое время по два раза в день. Впрочем, в случае большого стечения желающих ехать через три четверти часа после обыкновенных поездов могут быть отправлены случайные поезда. Правление Московско-Ярославской железной дороги извещает акционеров, что в субботу, 18 августа, в 11 ч. утра будет освящение дороги и станции».
Московский митрополит Филарет утром 18 августа 1862 года совершил торжественный молебен и освятил вокзал перед открытием железной дороги, хотя поначалу он считал, что дорога, ведущая в Троице-Сергиеву лавру, будет вредна в религиозном отношении. И вот почему: «Богомольцы будут приезжать в лавру в вагонах, в которых наслушаются всяких рассказов, и часто дурных, тогда как теперь они ходят пешком и каждый их шаг есть подвиг, угодный Богу».
Тот знаменательный день открытия вокзала выдался не по-летнему дождливым и ветреным (хотя дождь - не самая плохая примета). А в первом часу пополудни открылась и касса. В три часа дня члены правления Московско-Ярославской железной дороги погрузились на поезд вместе с купившими билеты счастливчиками. Наконец, первый поезд на Троицу тронулся... Среди пассажиров - Мамонтов с Чижовым, Дельвиг, митрополит Филарет и другие. Сделав короткую остановку в Хотькове, в половине пятого поезд подошел к станции Сергиево. Таким образом на дорогу ушло всего полтора часа - раньше на нее уходило полдня. Окончательным вердиктом можно считать слова расчувствовавшегося Филарета: «Рекомендую железную дорогу. Сколько употреблено искусства, усилий и средств для того, чтобы вместо пяти ехать полтора часа».
Завершение строительства железной дороги и открытие движения от Москвы до станции Сергиево ознаменовалось торжественным молебном и чином освящения. С тех пор сложилась традиция ежегодного молебна в зале первого класса Троицкого вокзала, совершаемого 18 августа, в день открытия движения по дороге. Вокзал так назывался, обозначая конечную станцию дороги. С каждым днем росло число пассажиров, отправляющихся с вокзала, благо что поезд делал остановки в подмосковных Пушкине, Хотькове, Мытищах и Талицах. У касс уже начали образовываться небольшие очереди. К 1865 году услугами Троицкого вокзала воспользовалось почти полмиллиона пассажиров.
По свидетельству инспектора частных дорог России Дельвига, вокзал Троицкой дороги был небольшим и невидным. От себя добавим и такое предположение: авторы проекта просто не стремились к тому, чтобы их вокзал хоть как-то выделялся по сравнению со стоящим рядом зданием первого вокзала Москвы - Николаевского (с 1855 года), поезда с которого отправлялись в саму столицу, Петербург. Здание Троицкого вокзала было тупиковым, по центру располагался вестибюль, через который пассажиры проходили в залы ожидания и на перрон. К услугам их были касса и телеграф.