Необходимость строительства сети железных дорог для развития экономики и укрепления обороноспособности страны потребовала расширения функций Главного управления путей сообщения и преобразования его в 1865 г. в Министерство путей сообщения со значительным укрупнением Департамента железных дорог. Первым министром путей сообщения был назначен П.П. Мельников, который внес большой вклад в создание и развитие отечественного железнодорожного транспорта как выдающийся инженер, ученый и руководитель стратегически важного государственного органа - Министерства путей сообщения. П. П. Мельников, обладая широким научным кругозором и государственным подходом к решению практических задач, считал расширение сети железных дорог важнейшей потребностью страны, удовлетворение которой не может зависеть от интересов частных лиц, отдельных слоев населения и различных акционерных обществ.

Министерство путей сообщения сосредоточило усилия на практическом осуществлении плана создания сети железных дорог, предпринимало меры по быстрому развитию отечественного паровозо- и вагоностроения, а также рельсопрокатного производства. В 1866-1868 гг. были выданы концессии на строительство 26 линий, а к 1872 г. их количество почти удвоилось. Начался быстрый подъем железнодорожного строительства. Для финансирования частного железнодорожного строительства в 1867 г. был создан специальный железнодорожный фонд, часть которого формировалась от продажи казенных железных дорог. По предложению министра финансов М. X. Рейтерна в этих целях в 1868 г. Главному обществу российских железных дорог была продана Петербург-Московская железная дорога, хотя против такой акции выступил министр путей сообщения П. П. Мельников, отмечая, что «Николаевская железная дорога составляет в руках правительства послушное и могучее орудие для полезного влияния на развитие торговли и промышленности», поэтому продажа ее «нежелательна при каких бы то ни было условиях цены и порядка уплаты». Дорога была возвращена в казну в 1894 г. после ликвидации Главного общества российских железных дорог.