Станция Царское Село была открыта в составе первой в России Царскосельской железной дороги, до 22 мая 1838 года являлась конечной станцией.

Современное здание железнодорожного вокзала на станции Царское село было 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, разделенном 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.

30 октября 2007 года на станции начала работу автоматизированная система контроля оплаты проезда.

После революции станция была переименована вместе с городом в Детское Село и сохранила это название после того, как город в 1937 году получил имя Пушкин.

Вопрос о возвращении станции исторического наименования был поднят в преддверии празднования 300-летия города в 2010 году. Однако этого не произошло, несмотря на одобрение руководства ОАО «Российские железные дороги». В октябре 2011 года администрация Пушкинского района выступила с новым предложением: назвать станцию Царское Село — Город Пушкин, обосновывая это тем, что название Детское Село «дезориентирует» гостей города. В 2013 году станции вернули ее первоначальное название.