В Петербурге, Обществу строительства железной дороги было поручено дополнительное, но почетное поручение — проложить Императорский путь на Царское Село. Средства для этого выделялись казной. Строительство надлежало выполнить в сжатые сроки. Императорской станции с павильоном отвели место около будущего Витебского вокзала, у берега Введенского канала. Эта станция предназначалась для отправки и прибытия царских поездов по всем направлениям.
Эскизный проект павильона был представлен правлением Общества в августе 1900 г. Следующий вариант здания с дебаркадером — в декабре, через два месяца после начала устройства фундамента. 13 декабря 1900 г. состоялась торжественная закладка. Сам павильон спроектировал С. А. Бржозовский, а металлический навес (шатер) над платформой — B.C. Персон. Швейцарский инженер, выпускник Политехникума в Цюрихе, Вениамин (Беньямин) Персон возглавлял в Петербурге строительную контору, вместе со своим знаменитым коллегой и товарищем Р. Майаром строил в 1910-х гг. склады в Петербургском торговом порту, сотрудничал с крупной немецкой фирмой железобетонных работ «Вайс и Фрейтаг».
Императорский павильон задумывался в соответствии со свом высочайшим статусом. Представляя проект, архитектурные журналы сообщали, что здание будет сооружено «в греческом стиле, с роскошной отделкою из бронзы», фасады облицованы валаамским гранитом и песчаником, вестибюль покрыт стеклянным куполом, в царских покоях устроен роскошный зал. Бржозовский говорил, что «ввиду назначения, не приходится считаться с расходами». Однако, Николай II пожелал, чтобы станция «была бы отделана просто и дешево, без каких бы то ни было лепных работ внутри.
Проект павильона с шатром корректировался уже во время строительства, вплоть до лета 1901 г. Работы шли безостановочно, в зимний период — в отапливаемом деревянном шатре. Помимо С. А. Бржозовского и других руководителей, наблюдение за ними вели инженер С. А. Штольцман и гражданский инженер А. Г. Голубков. Сооружение павильона заняло около года и в ноябре 1901 г. было завершено. Подряд на изготовление шатра достался Обществу котельных заводов «Фишер и Гампер», но исполнители не уложились в отведенное им время. Монтаж дебаркадера удалось завшить только в августе 1902 г.
Изящный камерный павильон был обращен главным фасадом к Введенскому каналу. Для удобного проезда к павильону, строители намеревались засыпать этот проток, «в неприличной ароматичности которого пришлось убедиться всем присутствующим» еще на закладке временного деревянного вокзала. Вместо канала хотели устроить «хороший бульвар, но Дума не согласилась». (Канал был засыпан лишь в конце 1960-х гг.) Императорский павильон отличается строгой симметрией, элегантными пропорциями, утонченным декоративным оформлением и затейливым силуэтом. Растянутые по горизонтали крылья нарастают двумя уступами к повышенному центральному объему вестибюля, энергично развитому по вертикали. Над его четырехгранным чешуйчатым куполом поднимается металлическое завершение, с мелкой застекленной аркатурой.
Средний ризалит, решенный наподобие арки, и трехчастные членения крыльев представляют на фасаде точную проекцию внутренней планировки. Подъезд с козырьком и арка с люнетом выделяют зону вестибюля. Прилегающие к нему звенья в три окна отвечают залам для императорских особ и для свиты, следующие далее звенья — кабинетам и уборным. Та же разбивка повторяется в сглаженном рельефе на противоположном, менее значимом фасаде, который был отделен снизу насыпью и платформой и, к тому же, фактически, скрыт дебаркадером.
Тождество объемных частей и помещений (иначе говоря, единство плана и фасадов) вытекало из рационалистических установок, ставших базовыми для модерна. Причем, в предварительном варианте проекта (от августа 1900 г.) Бржозовский придерживался асимметричной схемы, но затем отказался от нее в пользу строгой центрально-осевой симметрии. Основной набор форм павильона был заимствован из классицистического словаря. Штукатурные поверхности желтых стен были отделаны графичной паутинкой под руст. Карниз постройки удачно сочетался с горизонталями тяг. В оформление фасадов были включены фриз с триглифами, аттики с антефиксами, решетки с меандром, пилястры, картуши и маскароны. Выгнутый дугой карниз вестибюля был увенчан короной. Строгий рисунок деталей строения оказался близок академическому классицизму.