Варшавский вокзал на набережной Обводного канала стал третьим вокзалом в Санкт-Петербурге после Царскосельского и Николаевского. Из двух вариантов развития железных дорог в России (западного и южного) выбрали первый. В ноябре 1851 года был издан указ императора Николая I:
Первое здание Варшавского вокзала было построено в 1851-1853 годах по проекту К. А. Скаржинского. По некоторым сведениям в этом принимал участие и академик архитектуры Н. Л. Бенуа. Сооружение было похоже на обычный жилой дом, но его центр выделяли пять больших дверных проёмов. Несколько позже рядом было построено существующее до сих пор локомотивное депо.
Первый участок новой железной дороги был открыт 13 ноября 1853 года. Магистраль соединила Петербург с Гатчиной.
Строительство Санкт-Петербурго-Варшавской железной дороги приостановила Крымская война, после которой казна оплачивать работы уже не могла. Магистраль приобрело Главное общество Российских железных дорог 28 января 1857 года. Строительство возглавил С. В. Кербедз. Главным архитектором стал недавний выпускник Института гражданских инженеров П. О. Сальманович. Именно по его инициативе в структуре вокзального комплекса появились пакгаузы и жилые дома для служащих, а в 1870-х годах - каменные бани.
По мере продолжения строительства магистрали старое здание переставало удовлетворять требованиям эксплуатации. Новое здание Варшавского вокзала возводилось по проекту П. О. Сальмоновича. Проект предусматривал строительство паровозного депо на 14 машин и двух каменных домов для служащих Общества железных дорог. Новое здание вокзала было спроектировано П-образным с двумя боковыми двухэтажными корпусами. Главный фасад обустроили со стороны Обводного канала, он имел девять арочных окон с центральным большим окном, украшенным богатым витражом. В центре фасада разместили башню с часами и флагштоком, стены украсила лепнина, позже почти вся утраченная.
Высота Варшавского вокзала с башней составила 51,5 метр, длина - 283 метра, ширина - 54,4 метра. Всего на станции было пять платформ, две из которых подходили под дебаркадер. Варшавский вокзал мог одновременно принимать до десяти поездов. Правая платформа под дебаркадером (если смотреть от канала) предназначалась для приёма поездов, левая - для отправки. Между ними был третий путь, по которому прибывший паровоз перегонялся в депо.
С 1857 по 1862 год к Варшавскому вокзалу со стороны путей были пристроены дополнительные корпуса, сени и платформы для подвоза лошадей и карет. Была произведена кардинальная перепланировка помещений, переделаны царские покои. Помещения для императора находились на первом этаже. Они чаще всего пустовали, так как в них имела доступ только царская семья.
20 ноября 1858 года Варшавский вокзал получил газовое освещение, для чего на территории станции построили небольшой газовый завод. В следующем году от Обводного канала был прорыт подковообразный бассейн для перевалки грузов с железной дороги на баржи.
15 декабря 1862 года состоялось открытие движения по всей западной магистрали.
Архитектор П. О. Сальмонович является автором оригинальной идеи - совместить под одной крышей пассажирские службы и место для формирования составов. Это позволяло осуществлять обслуживание спальных вагонов в гораздо более комфортных условиях. Для её реализации за дебаркадером Варшавского вокзала были устроены девять путей, которые с главными соединяли пять поворотных кругов диаметром около восьми метров. В середине 1860-х годов построили тёплый павильон для обслуживания составов. Сюда поступала горячая вода для мытья вагонов, которая сливалась в Обводный канал. В тёплый павильон вагоны, после их освобождения пассажирами, перегонял маневровый паровоз. Такая система позволяла подавать к посадке вагоны тёплыми и сухими даже зимой.
В июле 1904 года у вокзала произошло покушение на министра внутренних дел В. К. Плеве, при котором он был смертельно ранен.
В 1908 году на Варшавском вокзале была предпринята попытка ввода "перронного контроля". С каждого провожающего начали снимать плату в 10 копеек, это должно было предотвратить давку на перронах, принести дополнительный доход казне. Указ о перронном контроле вступил в силу 10 марта, его осуществление началось 21 марта. Перронные билеты можно было купить в кассах и специальных автоматах. Но последние иногда работали неисправно, не выдавая билет взамен денег. Платный вход для провожающих действовал не долго.
Варшавский вокзал служил укрытием для рабочих Московского и Нарвского районов в октябре 1917 года. Они защищали Петроград с южной стороны, опасаясь подхода к городу контрреволюционных сил.
Во время Великой Отечественной войны зданию вокзала был нанесён значительный ущерб, линия фронта проходила от него всего в десяти километрах. После окончания войны здание было отреставрировано, благоустроены две боковые площади. В правой части вокзала отдельные небольшие помещения были объединены в просторные залы ожидания для пассажиров поездов дальнего следования и пригородных направлений. Здесь заново были оборудованы ресторан, парикмахерская, магазины и служебные помещения. 5 ноября 1949 года на месте центрального витража установили бронзовую фигуру В. И. Ленина работы скульптора Н. В. Томского. Пьедестал для памятника из блоков красного полированного гранита создали архитекторы Н. Ф. Хомутецкий и Б. В. Муравьёв. Высота пьедестала составила 4,2 метра, высота фигуры - 5,5 метров.
Рост Ленинграда в южном направлении потребовал оптимизации территорий за Обводным каналом. На месте ветки Варшавской железной дороги в советское время выросли новые жилые кварталы. Но Варшавский вокзал оставался в строю, его соединили с веткой Балтийского вокзала. Он принимал поезда из других стран, в том числе из Польши, Германии, Венгрии, Чехии, Румынии, Болгарии, Франции. Отсюда уходили поезда в Прибалтийские республики и на западную Украину. В начале XXI века Варшавский вокзал перестал осуществлять свою основную функцию - принимать поезда, они были перенаправлены на Балтийский вокзал.
При рассмотрении вариантов развития окружающей территории рассматривалась возможность сноса здания Варшавского вокзала. Он замыкает перспективу Измайловского проспекта, таким образом не давая возможность соединить его с Новоизмайловским.
В 2001 году в здании вокзала разместили музей железнодорожного транспорта, а в 2003-2006 годах по проекту Джованни Бартоли здание было вновь реконструировано. Здесь открылся торговый комплекс "Варшавский экспресс". При реконструкции памятник В. И. Ленину был убран.
