Железнодорожный транспорт в Российской империи открыт в 1837 г. указом императора Николая Павловича. Станция Царское Село до столицы империи — Санкт-Петербурга была открыта в составе первой в РоссииЦарскосельской железной дороги, до 22 мая1838 года являлась конечной станцией.
Первое здание станции было построено на границе города в 1837 году по проекту архитектора Г. Фоссати в стиле английской готики. Он представлял собой двухэтажное кирпичное здание с четырёхугольной башней-шпицем и двумя боковыми одноэтажными деревянными крыльями. К одноэтажным корпусам были пристроены навесы, опирающиеся на чугунные столбы и кованые фигурные кронштейны.
В 1902—1904 годах на месте старого здания Обществом было построено новое по проекту группы архитекторов под руководством С. А. Бржозовского. Симметричное в плане здание было возведено в формах западноевропейской средневековой архитектуры, характерных для периода поздней эклектики. Слева от вокзала был возведен Великокняжеский павильон[3]. Обе постройки были разрушены в войне 1941—1945 годов.
После революции, в 1918 году станция была переименована вместе с городом в «Детское Село»[4] и сохранила это название после того, как город в 1937 году получил имя Пушкин в год векового юбилею гибели поэта на дуэли на Чёрной речке.
В 1921 году Московско-Виндаво-Рыбинская железная дорога была расформирована и Петроградская сеть перешла в введение Северо-Западных железных дорог, станция перешла в введение данной дороги[5].
В 1932 году была по приказу Совнаркома построена[7] и до середины 1960-х гг. существовала однопутная железнодорожная линия, соединявшая станцию Детское Село со станцией КолпиноМосковского направления ОЖД. Основное назначение — доставка рабочих из Пушкина на Ижорские заводы и обратно. По линии 5 раз в сутки в обе стороны ходил поезд из 10 вагонов. Посередине в деревне Московская Славянка располагалась станция Красная Славянка с разъездом. В войну линию разбирали, затем восстановили. Линия пересекала Московское шоссе под путепроводом, который сохранялся до 2013 года. Пассажирское движение по линии прекратилось с 1 июня 1966 года[8]. От линии остался действующий участок в виде подъездных путей от вокзала к промзоне «Восточная» в черте города[9].
Современное здание железнодорожного вокзала построено в 1946—1950 годах по проекту ленинградского архитектора Е. А. Левинсона и инженера А. А. Грушке. Проект был отмечен Сталинской премией третьей степени. Комплекс вокзала включает главный двухэтажный корпус и поставленные с ним в одну линию три павильона. Все сооружения связаны широкими арками — проходами на перрон и двориком с фонтаном и пропилеями. В павильонах находятся спуски в тоннели — переходы под железнодорожными путями. Общая композиция плана, строгие классические формы типичны для Царского Села. Авторы стремились придать зданию вокзала черты, близкие к сооружениям дворцово-парковых ансамблей, созданным во второй половине XVIII века. В оформлении фасадов и интерьеров отражена связь города с А. С. Пушкиным. Фасад главного корпуса декорирован медальонами и барельефными портретами учителей и друзей поэта Г. Р. Державина, Н. М. Карамзина, В. А. Жуковского, А. А. Дельвига, П. Я. Чаадаева, В. К. Кюхельбекера. В зале ожидания, разделённом двумя рядами колонн на три нефа, в конце среднего из них, в нише, установлена бронзовая статуя А. С. Пушкина работы скульптора М. Г. Манизера. Плафон зала декорирован скульптурными панно, изображающими сооружения царскосельских парков. Кассовый зал перекрыт лучковым сводом с росписью в виде деревьев с широко раскинутыми ветвями. В тимпанах на торцевых стенах помещены барельефы с профильным портретом А. С. Пушкина. Скульптурные десюдепорты и люстры из кованого железа, белого матового и синего стекла дополняют убранство зала.
В 1953 году была осуществлена электрификация станции постоянным током, напряжением 1500 в. в составе участка Ленинград-Витебский — Павловск. В 1962 году контактная сеть была переведена на напряжение 3,3 кВ постоянного тока.
В 1982 году станции присвоен код Экспресс-2 № 34182.
В 1985 году станция получила новый код АСУЖТ (ЕСР) № 032707.[15]
В 1994 году получила новый код Экспресс-3 № 2004182.[16]
30 октября2007 года на станции начала работу автоматизированная система контроля оплаты проезда.
Вопрос о возвращении станции исторического наименования был поднят в преддверии празднования 300-летия города в 2010 году[17]. Однако этого не произошло, несмотря на одобрение руководства ОАО «Российские железные дороги». В октябре2011 года администрация Пушкинского района выступила с новым предложением: назвать станцию Царское Село — Город Пушкин, обосновывая это тем, что название Детское Село «дезориентирует» гостей города[18]. В декабре 2011 года станции вновь планировалось вернуть её первоначальное название[19], что произошло в 2013 году. Постановление о переименовании станции в Царское Село 6 августа подписал премьер-министр России Дмитрий Медведев[20]. Название станции было изменено в соответствии с федеральным законом «О наименованиях географических объектов»[21].
В 2014 года был начат ремонт тоннелей, ведущих на 2 платформу. I путь был разобран. Пригородные поезда в сторону Павловска отправлялись от 2 платформы, а на Санкт-Петербург — от временной деревянной 3 платформы, вход на которую осуществляется с железнодорожного переезда в южной горловине станции. К августу 2017 года I путь был восстановлен, поезда в сторону Павловска отправлялись уже от 1 платформы, и был начат ремонт 2 платформы. В 2018 году все ремонтные работы были завершены, восстановлено привычное движение поездов.
В 1895 году для приёма императорских поездов, прибывавших в Царское Село через станцию Александровская, был построен Царский павильон у Фермского парка. Он находится за несколько километров от станции Царское Село. С 1903 года он стал принимать поезда, следовавшие по так называемой Императорской ветке. В 1912 году на месте сгоревшего был возведён новый Императорский павильон. Станция перестала действовать к середине XX века, вокзал сильно пострадал в период Великой Отечественной войны, но до настоящего времени не восстановлен.
Архангельский А. С., Архангельский В. А. Железнодорожные станции СССР : Справочник. — М. : Транспорт, 1981. — Т. 1. — 368 с. — 100 000 экз.
Иванова Т. И. „Поедем в Царское Село...“. История и архитектура Царскосельской железной дороги / Т. И. Иванова, В. Б. Мартиров. — СПб.: ПГУПС, 2013. — 46 с. — ISBN 978-5-7641-0440-9.
Ласточкин С. Я., Рубежанский Ю. Ф. Царское Село — резиденция российских монархов. — 2-е., доп. и перераб.. — СПб.: Тип. "Правда", 2000. — 340 с. — ISBN 5-85991-043-6.
Царскосельская железная дорога. Журнал общего собрания [акционеров] Царскосельской железной дороги (10-го мая 1838 года). — СПб.: О-во Царскосел. ж. д., 1838-1880. — 28 с.
Царскосельская железная дорога(рус.). Всемирная История. Энциклопедия «Всемирная история» (2018). Дата обращения: 18 сентября 2018.
Тарифное руководство N 4 (ред. от 25.01.2016). «Книга 2» Часть 1. Алфавитный список железнодорожных станций" (утв. Советом по железнодорожному транспорту государств - участников Содружества)(рус.) (действующая редакция). Законы, кодексы, нормативные и судебные акты. Legalacts.ru (2018). Дата обращения: 1 сентября 2018.
ст. Царское Село: 032707.Справочник станций(рус.). ОАО РЖД (2018). Дата обращения: 18 сентября 2018.