Die Idee zum Bau einer Stahlmagistrale in Richtung Jaroslawl stammt maßgeblich von dem Mathematikprofessor der MGPU Fjodor Tsjirow, der später zu einem bedeutenden Theoretiker der industriellen und kommerziellen Entwicklung Russlands wurde. Um die erste russische Privatbahn von Moskau nach Sergijew Possad zu schaffen, zog er eine Gruppe moskauer Kaufleute hinzu. Eine wichtige Rolle in diesem Projekt spielte der Kaufmann Iwan Fjodorowitsch Mamontow, der Vater des bekannten Mäzens Sawwa Mamontow.

Im Jahr 1859 genehmigte Kaiser Alexander II. den Beschluss zum Bau der Eisenbahn von Moskau nach Sergijew Possad mit der Bedingung, dass sie innerhalb von drei Jahren bis nach Jaroslawl verlängert wird, da die Strecke nur bis Sergijew Possad als "Luxus" galt und keine ernsthafte Transportlast tragen konnte.

Die Wahl des Standorts für den Bahnhof war nicht einfach. Es wurden Optionen bei der Sucharewa-Burg und dem Krestowskaja-Posten sowie die Möglichkeit in Betracht gezogen, Züge vom Bahnhof der Petersburger-Moskauer Eisenbahn abfahren zu lassen. Letztendlich wurde beschlossen, den Bahnhof am Kalantschow-Platz zu bauen.

Das ursprüngliche Projekt des Bahnhofs wurde von dem Architekten M.Ju. Lewestam entwickelt, aber sein Entwurf wurde nicht genehmigt. Das endgültige Projekt wurde von dem Architekten R.I. Kusmin erstellt. Es handelte sich um ein kleines zweigeschossiges Gebäude mit einem Türmchen in der Mitte, das an den Bahnhof der Petersburger-Moskauer Eisenbahn erinnerte. Der Bahnhof war ein Kopfbahnhof mit getrennten Plattformen für die Ankunft und Abfahrt der Züge. Die Dreifaltigkeitsbahn wurde 1862 eröffnet. Zur Einweihung des Bahnhofs wurde Metropolit Philaret eingeladen, der zum ersten Mal die Eisenbahn und den Zug sah. Speziell für ihn führte die Lokomotive mehrere Manöver am Bahnhof durch.

In den frühen 1870er Jahren, mit der Verlängerung der Strecke nach Jaroslawl, wurde der Bahnhof umgebaut. Die Fassade, die zum Kalantschow-Platz zeigt, blieb erhalten, aber die seitlichen Gebäude wurden aufgestockt, was eine unharmonische Komposition schuf.

In den Jahren 1898 und 1899 wurde die Strecke bis nach Archangelsk verlängert, und der Bahnhof wurde eng. Der Architekt L.N. Kekushew entwickelte ein neues Umbauprojekt, und später verlieh der Architekt F.O. Schechtel dem Bahnhof ein völlig neues Aussehen. Die Fassade wurde nach Motiven des Pavillons des Russischen Nordens gestaltet, der von dem Künstler K.A. Korowin für die Nischni-Nowgorod-Messe 1896 geschaffen wurde. Das Gebäude integrierte Elemente der alt-russischen Architektur, die von Schechtel umgestaltet wurden. Das hohe Dach, das breite Fries aus glasierten Fliesen, die Majolika-Einsätze und andere Elemente schaffen ein einzigartiges episches Bild. Die Türme des Bahnhofs sind geschickt platziert, was eine unterschiedliche Wahrnehmung des Gebäudes von verschiedenen Punkten des Kalantschow-Platzes ermöglicht.

Seit 1907 wird der Bahnhof als Nordbahnhof bezeichnet. Am 20. Juni 1929 fuhr der erste Moskauer Elektrozug von ihm ab.

Im Jahr 1966 erhielt der Bahnhof sein modernes Aussehen, wobei Elemente des ursprünglichen Gebäudes und spätere Umbauten erhalten blieben. Im Inneren sind massive Säulen erhalten geblieben, die früher auf dem Abfahrtsperron der Züge standen.