Таким образом, вопрос был решен и линия пошла между двумя столицами по "возможно" прямому направлению. Насколько замечательна прямолинейность С.-Петербурге – Московской железной дороги, можно судить уже потому, что вся длина линии после постройки оказалась в 604 версты, тогда как астрономическое расстояние между Петербургом и Москвою составляет 598 верст, а протяжение Московского шоссе – 674 версты. По окончании изысканий в начале 1843 г., и по собрании всех топографических сведений, линия дороги была нанесена на карту, которая удостоилась Высочайшего утверждения 14 апреля 1843 года и принята к руководству при постройке дороги.
Легенда, связанная с дорогой
Широкую известность получила легенда о том, что император лично давал указание, как и где проложить дорогу: император приложил к карте линейку и провёл линию. Возле Бологого карандаш, который держала высочайшая рука, наткнулся на палец другой высочайшей руки и прочертил изгиб. Императорские решение надлежало выполнить. В действительности, если не брать во внимание некоторые кривые большого радиуса, имеющиеся на дороге и поныне, а также кривые меньшего радиуса в горловинах станций, реконструируемые сейчас под скоростное движение, изначально дорога была построена совершенно прямой. В месте упомянутого изгиба — в районе станции Мстинский мост — линия также была абсолютно прямой, что при имеющемся в этом месте перепаде профиля, затрудняло движение составов, движимых маломощными паровозами. Для прохода подъёма приходилось вцеплять дополнительный локомотив. Ради преодоления неудобств путём уменьшения перепада профиля и был создан «изгиб» — Веребьинский обход со ст. Оксочи. Через много десятилетий после того, как необходимость в таком «серпантине» отпала, Веребьинский обход был демонтирован, станция Оксочи — закрыта, а линия вновь стала прямой.
Работы по сооружению дороги начали 27 мая 1843 г. одновременно с двух сторон – от Санкт-Петербурга до Бологого (Северная дирекция) и от Москвы до Бологого (Южная дирекция). Начальниками дирекций назначили авторов проекта – П.П. Мельникова (Северная) и И.О. Крафта (Южная). Для приближения дирекций к месту строительства их разместили соответственно в Чудове и в Вышнем Волочке (позже Южная дирекция была переведена в Тверь).
Строили дорогу строительные артели, куда входили главным образом крепостные крестьяне, находящиеся в прямой зависимости друг от друга: в случае заболевания рабочего вычеты на его содержание осуществлялись из заработка всей артели. Многие из строителей дороги погибли от тяжелых условий труда, скудного питания, эпидемий холеры, чумы и тифа. В отдельные годы на строительстве работало до 63 тысяч человек. Основными орудиями их труда были кирка, лопата и тачка, применялась также и конная возка.
Работы разворачивались от опорных пунктов, которые размещались в зонах примыкания трассы к водным путям сообщения. Через эти пункты строительные участки снабжались материалами и оборудованием. В районе Валдайской возвышенности земляные работы выполнялись с помощью четырех паровых землекопных машин, приобретенных в Соединенных Северо-Американских Штатах.
Дорога строилась сразу на два пути протяженностью 644 км с шириной колеи 1524 мм, принятой на американских железных дорогах, в отличие от европейских – с более узкой колеёй. Путь наряду с поперечными шпалами имел еще продольные лежни, уложенные под рельсы. Довольно скоро от них отказались; еловые шпалы, служившие четыре года, заменялись сосновыми, а в 1886 г. их стали пропитывать хлористым цинком, что давало увеличение срока службы до 7-8 лет.
Ширина колеи в 1 524 мм впервые стала использоваться в России в ходе постройки Николаевской железной дороги. Возможно, это было связано с тем, что на строительстве работали консультанты из Америки, и прежде всего Дж. В. Уистлер (в то время эта колея была популярна в южных штатах США). Возможно также, что использовать эту ширину колеи предложили русские инженеры П. П. Мельников и Н. О. Крафт, посетившие Америку перед началом строительства Николаевской железной дороги. Кроме того, эта ширина колеи была удобна тем, что выражалась круглым числом – 5 футов. Существует распространённое мнение, что при выборе ширины колеи сыграл роль и военный аспект — отличная от европейской ширина колеи затруднила бы гипотетическому противнику снабжение войск в случае вторжения в Россию. Никаких документальных подтверждений этой версии не имеется. С середины XIX века стандартом на железных дорогах России (позже – СССР), Финляндии и Монголии была ширина колеи 1 524 мм. С мая 1970 года до начала 1990-х годов железные дороги СССР были переведены на колею 1 520 мм. Это было сделано с целью увеличить стабильность пути при эксплуатации товарных поездов, повысить их скорость движения без модернизации самого подвижного состава. После распада СССР это – стандарт ширины колеи на железных дорогах всех стран, образовавшихся на его месте. Железные дороги Финляндии до настоящего времени продолжают использовать прежний стандарт – 1 524 мм.