Bis zum Ende des 19. Jahrhunderts entwickelte sich die am Witebsker Bahnhof beginnende Eisenbahn zu einer der Hauptstrecken im Russischen Reich. Sie verband nun die russische Hauptstadt mit Odessa am Schwarzen Meer. In der Folge wurde die innerstädtische Eisenbahnanlage durch Erdaufschüttung bis zu fünf Meter gehoben, und in den Jahren von 1901 bis 1904 entstand das neue, repräsentative und heute noch vorhandene Bahnhofsgebäude, das nach Entwürfen des Architekten S. A. Brschosowski () und des Ingenieurs S. I. Minasch () im Jugendstil errichtet wurde. Die Bahnsteige befinden sich auf dem Niveau des oberen Stockwerkes und werden von einer Bogenkonstruktion aus Stahl und Glas überdacht, die durch den Ingenieur W. S. Gerson () entworfen wurde. In ihrer Silhouette zeigt sich der Witebsker Bahnhof mit einer Kuppel in der Mitte des Gebäudes und einem hohen Uhrenturm. Das geräumige Vestibül im Innern ist ausgestattet mit einer Marmortreppe, Stuckverzierungen als weiblichen Masken und einer Darstellung des Gottes Merkur, der als Beschützer der Reisenden und Handelsleute gilt. An den Wänden sind Bilder der Festung Petropawlowsk (Kamtschatka) und des Hafens von Odessa (Ukraine) zu finden, die von den Künstlern W. I. Bystrenin () und A. S. Dudin () geschaffen worden sind. In späteren Jahren wurden weitere Wandbilder hinzugefügt, die die Geschichte der Eisenbahn nach Zarskoje Selo und ihrer Bahnhöfe veranschaulicht.