История вокзала начинается с окончания строительства Рязанско-Уральской железной дороги. Среди столичных вокзалов Павелецкий вокзал далеко не самый старый и не самый именитый. Появлением своим он обязан построенной в конце XIX века Обществом Рязанско-Уральской железной дороги – небольшой, но важной линии Павелец – Москва.

Павелецкий вокзал был построен и открыт для движения поездов и приема пассажиров 1 сентября 1900 года. Строительство вокзала вело акционерное общество «ФОН-МЭККЕ» (архитектор А. Красовский).
Привычный по названию Павелецкий вокзал после постройки именовался Саратовским. В немалой степени это связано с тем, что Саратов выступал крупнейшим узлом сети дорог Общества Рязанско-Уральской дороги. И только после Великой Отечественной войны официально утвердилось и быстро привилось нынешнее название Павелецкий вокзал, напоминая имя того города, откуда пошла дорога.

В 2000 году Павелецкий вокзал отметил свой столетний юбилей.
В 1987 году реконструированный и значительно расширенный Павелецкий вокзал принял первых пассажиров, при этом был сохранен архитектурный облик и стиль.

По замыслу архитекторов в новом вокзальном комплексе сочетаются три исторических отрезка времени. Период конца XIX – начала XX века взят за основу в облике всего сооружения. Суровые военные годы читаются в контурах наземного вестибюля станции метро «ПАВЕЛЕЦКАЯ – радиальная», полностью встроенного в новый вокзал.
Зал ожидания рассчитан на единовременное пребывание 2 тысяч пассажиров, воинский зал на 85 мест.
Здание вокзала рассчитано на единовременное обслуживание 10 тысяч пассажиров.

С 2011 по 2014 года на Павелецком вокзале проводилась очередная реконструкция, в результате значительно изменился облик вокзала и внутреннее содержание:
Открыты залы улучшенной и повышенной комфортности.

Открыто скоростное движение комфортабельных аэроэкспресс поездов «Москва – Аэропорт Домодедово».
В 2001 году Московской железной дорогой и фирмой ИСТ ЛАЙН Хэндлинг – генеральным агентом международного аэропорта Домодедово по наземному обслуживанию авиакомпаний принято решение по созданию городского терминала аэропортового комплекса «ДОМОДЕДОВО» в зале № 2 Павелецкого вокзала и организации скоростного движения комфортабельных электропоездов нового поколения по маршруту «МОСКВА – АЭРОПОРТ».
Автоматизированная система регистрации пассажиров на авиарейс и обработки багажа аэровокзального комплекса «ДОМОДЕДОВО».

3 августа 2002 года вошла в строй первая в России скоростная транспортная система «ЖЕЛЕЗНАЯ ДОРОГА – АЭРОПОРТ». Цель проекта – обеспечение пассажирам комфортабельного, надежного, безопасного и удобного транспортного сообщения между большим городом и крупным аэропортом.
Главные принципы организации системы доставки пассажиров до Аэропорта Домодедово: СКОРОСТЬ ДОСТАВКИ, РЕГУЛЯРНОСТЬ, КОМФОРТ, ЭКОНОМИЧНОСТЬ И БЕЗОПАСНОСТЬ.

Одним из обязательных условий скоростной транспортной системы, реализуемой совместными усилиями ОАО «РЖД», Московской железной дороги и авиационной группы «ИСТ-ЛАЙН», является высокий скоростной режим, который и обеспечивается новыми современными электропоездами.
Начало скоростной транспортной системе положено в Москве на магистрат.
Аэроэкспресс поезда следуют в аэропорт и обратно с интервалами в 30 минут с 05:30 до 23:30.
Время в пути: 40-45 минут.

3 августа 2002 года с Павелецкого вокзала стартовал современный по своей форме и технической начинке, быстрый, комфортабельный, экономичный Московский электропоезд «ЭМ2И-001», в настоящее время используются еще более комфортабельные новые электропоезда «ЭД-4».

В рамках проведения структурной реформы на железнодорожном транспорте, с созданием условий для отдельной деятельности по предоставлению услуг инфраструктуры от перевозочной деятельности в 2008 году была создана Дирекция железнодорожных вокзалов, в состав которой вошли все вокзалы, в том числе и Павелецкий.

В конце 2011 года открылся после реконструкции медпункт нового поколения. Данный проект имеет общероссийскую значимость, так как подобного дизайна и оборудования нет ни на одном вокзале.
В процессе реконструкции открыты сквозные проходы, начиная с 4 по 2 подъезды, – теперь оформив проездной документ в дальних кассах пассажир, не выходя на улицу, может пройти по вокзалу на посадку, в зал ожидания или метро.

Для маломобильной группы населения предусмотрены специализированные кассы, как в пригородном, так и в дальнем залах. Предусмотрены специализированные санитарные комнаты, не только в общих санитарных комнатах и медпункте вокзала, но и в кассовом зале дальнего следования, установлен вертикальный транспорт, подъемные площадки, возле подъездов № 2 и 4 установлены пандусы.