Z powodu wojny krymskiej w 1853 budowa została wstrzymana po wykonaniu jedynie krótkiego odcinka Petersburg – Gatczyna. Po zakończeniu działań wojennych budowę przejęło Główne Towarzystwo Rosyjskich Dróg Żelaznych. W grudniu 1862 ukończono budowę całej trasy: Petersburg – Gatczyna – Ługa – Psków – Dźwińsk – Wilno –Grodno - Białystok – Łapy – Warszawa i oddano linię kolejową do użytku. Regularny ruch pociągów na trasie Warszawa-Petersburg rozpoczął się 27 grudnia 1862 (15 grudnia wg kalendarza juliańskiego). Stałą komunikację na linii warszawsko-petersburskiej, liczącej 1330 kilometrów, otwarto 27 grudnia 1862 roku. Podróż pomiędzy końcowymi stacjami trwała wówczas 38 godzin, zaś z Warszawy do Wilna – 14 i pół godziny.

Była to druga linia kolejowa przebiegająca częściowo na ziemiach Królestwa Polskiego, po Kolei Warszawsko-Wiedeńskiej, zarazem czwarta linia kolejowa w Imperium Rosyjskim, a druga o przyjętej w Rosji jako standard szerokości toru 1524 mm.

Początkowo lokomotywy parowe dla kolei kupowano głównie w fabrykach zachodnioeuropejskich, pod koniec XIX wieku wprowadzono lokomotywy rosyjskie.