Budowa linii kolejowej łączącej Petersburg – ówczesną stolicę Cesarstwa Rosyjskiego z Warszawą, będącą ośrodkiem administracyjnym Królestwa Polskiego (zaboru rosyjskiego), rozpoczęta została w 1851 ze środków rządu rosyjskiego. W 1852 na stanowisko zastępcy dyrektora budowy kolei został powołany polski inżynier Stanisław Kierbedź. 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 – Białystok – Łapy – Warszawa i oddano linię kolejową do użytku.

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

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

W 1895 Kolej Warszawsko-Petersburska została wykupiona i upaństwowiona przez rząd carski, a w 1906 została połączona z Bałtyjsko-Pskowsko-Ryską żelazną drogą, tworząc Północno-Zachodnie Drogi Żelazne (Северо-Западные железные дороги, Siewiero-Zapadnyje żeleznyje dorogi).

Linia kolejowa wpłynęła pozytywnie na rozwój gospodarczy takim miejscowościom jak Białystok czy Łapy, gdzie powstał Zakład Naprawczy Taboru Kolejowego.

Znajdujący się w granicach Polski fragment linii kolejowej użytkowany dawniej przez Kolej Warszawsko-Petersburską to linia kolejowa nr 6.