Станция открыта в составе третьей очереди строительства Московского метрополитена во время Великой Отечественной войны 20 ноября 1943 года на действующем перегоне «Площадь Свердлова» (ныне — «Театральная») — «Завод имени Сталина» (ныне — «Автозаводская»). С 1 января 1943 года поезда на уже действующем участке «Театральная» — «Автозаводская» следовали через «Павелецкую» без остановки.
Название станции дано по расположенному вблизи Павелецкому вокзалу. Тоннель перехода с Кольцевой на Замоскворецкую линию является одной из самых длинных пересадок метро в Москве.
