Строительство шло быстро. Уже 7 ноября 1863 года была совершена пробная поездка, а 3 декабря 1865 года состоялось торжественное открытие дороги — пассажирский поезд отправился из Одессы в Балту от временного дебаркадера, устроенного внизу Николаевского бульвара на берегу моря7. 4 декабря 1865 года открылось регулярное движение между Балтой и Одессой и между станцией Раздельной и Кучурганом. Длина дороги составила чуть больше 210 верст.

Для приемки дороги от строителя в казенную эксплуатацию была назначена особая комиссия. Она проработала почти год. Все железные дороги и тогда, и в более поздние времена принимались от строителей в эксплуатацию с большим или меньшим объемом недоделок. На Одесской дороге не было произведено укрепления откосов, ширина балластного слоя не соответствовала проектным размерам, верхний щебеночный слой был рассыпан не везде, а кое-где даже не заготовлен; нижний песчаный слой был где более, а где менее должной толщины; в трубах через глубокий Тилигульский овраг (в 13 верстах от станции Балта) оказались серьезные повреждения, потребовавшие немедленной переделки; дома для дорожных мастеров и сторожевые будки вообще отсутствовали. Еще одно слабое место дороги состояло в средствах связи. Комиссия записала в приемочном акте: «Телеграфная линия устроена в одну проволоку и требует перестройки, по недостаточному размеру и углублению в землю столбов, недостаточному числу и диаметру проволочных проводов и неудовлетворительному укреплению к столбам, к чему во время освидетельствования дороги было уже приступлено»8.

1 сентября 1866 года Одесско-Балтская дорога поступила в заведование Министерства путей сообщения. Приемочная комиссия министерства обратила внимание на то, что снабжение дороги подвижным составом было «крайне недостаточным». По предположению комиссии, 28 паровозов, 85 пассажирских вагонов, 12 багажных и 770 товарных (включая сюда и платформы) не в состоянии обеспечить должную рентабельность всего хозяйства. Комиссия постановила для «…усиления …подвижного состава заказать 23 паровоза, 8 тендеров для подвозки воды к станции, где водоснабжение неудовлетворительно, 600 товарных вагонов для возки зернового хлеба; приспособить поезд для императорской фамилии и приобрести запасные части для паровозов» на сумму 1 млн. 700 тыс. руб.9

1 млн. 100 тыс. было ассигновано для сооружения складов под зерновой хлеб, под удлинение платформ, увеличение мастерских для ремонта подвижного состава. Паровозы и тендеры были заказаны заводу Зигеля в Вене (своего паровозостроения Россия тогда еще не имела). Одесским мастерским предстояло построить 600 крытых товарных вагонов для зернового хлеба и соли: Куяльницкая ветка протяженностью 8 с небольшим верст проходила по предместью Пересыпь в направлении Куяльницкого соляного лимана. Вся дорога, по оценке Министерства путей сообщения, обошлась в 16 млн 400 тыс. руб., или 68 тыс. в пересчете на версту, не считая процентов и расходов на приобретение строительного капитала.

Ее эксплуатация обещала массу трудностей. Одесско-Балтская линия проходила по территории малонаселенной, со слаборазвитой промышленностью. В целях удешевления строительства ее прокладывали по водоразделам, тогда как населенные пункты располагались вдоль глубоких балок. Подъезд к станциям железных дорог в ряде случаев был сильно затруднен. И это еще не все. Как известно, паровозам требуется вода, причем в больших количествах. Дорога же проходила по местности безводной. Вырытые на станциях колодцы, местами со значительной глубиной (до 50 и даже до 80 саженей), не давали необходимого количества воды, так что потребовалось развозить по станциям воду из Одессы почти по всей дороге в особо устроенных тендерах и вагонах, которые должны были возвращаться в Одессу порожняком10.

Еще одной головной болью должен был стать дефицит топлива. Поначалу паровозы использовали исключительно английский уголь, доставлявшийся морем в Одессу. Затем были сделаны пробные топки донецким антрацитом. Оказалось, что антрацита расходуется на треть менее, чем английского каменного угля, но, с другой стороны, колосники в паровозных топках скорее перегорали вследствие сильного жара от горения антрацита, а ремонт их обходился в три раза дороже первоначальной цены. Несмотря ни на что, употребление антрацита сулило несомненные выгоды при условии, если Одесская дорога будет соединена с Донецкими угольными копями.

Еще до того времени, когда Одесско-Балтская дорога была закончена постройкой, неугомонный П. Е. Коцебу задумал изменить ее первоначальное направление. Вместо Киева он предложил тянуть рельсы на Кременчуг и далее на Харьков; другую линию вести к австрийской границе до Новоселиц. Уязвимым местом его плана было то, что Киев оказывался вне связи с крупнейшим черноморским портом России. Помимо этого, соединение Одессы с обеими столицами отодвигалось на неопределенное время. Предложение Коцебу наделало много шума. Оно обсуждалось и в прессе, и в ученом мире, и в правительственных кругах.

2 и 7 декабря 1864 года состоялось специальное заседание статистического отдела Русского географического общества, где скрестили копья сторонники киевского и кременчугского направлений. Киевскую партию возглавляли M. H. Катков и И. С. Аксаков (не явившиеся на заседание); противную — П. Е. Коцебу и директор статистического отдела Министерства внутренних дел П. П. Семенов.

Приверженцы киевского направления оперировали геополитическими и стратегическими аргументами. Лишь В. П. Безобразов — известный экономист либерального направления — доказывал, что дорога через Киев облегчит сбыт на южной Украине изделий московских текстильных фабрик.

Одесский банкир Рафалович прочел доклад на французском языке. Он указал на исключительную важность кременчугского направления для расширения российского экспорта через Одессу. Ни в Подольской, ни в Киевской губерниях производство товарной пшеницы не могло быть увеличено, тогда как посевные площади Харьковской и Екатеринославской губерний постоянно росли. Далее трехсотверстного расстояния вывоз хлеба он вообще считал нецелесообразным ввиду высокой стоимости провоза.

Большинство участников дискуссии высказались в пользу киевского направления. Но император решил иначе: 28 декабря 1864 года состоялось высочайшее повеление, которым предложение П. Е. Коцебу о направлении дороги от Балты на Харьков получило силу закона. 28 марта 1865 года были утверждены и основные условия контракта. Его удостоился проверенный в деле контрагент казны — барон К. К. Унгерн-Штернберг. Для производства строительных работ в его распоряжение назначались две бригады штрафных солдат общей численностью 9 тыс. человек.

Дорога должна была иметь протяженность 234 версты, сметная стоимость ее составляла 45 тыс. руб. на версту, а всего 10,5 млн. Предварительные изыскания были сделаны подрядчиком, он же выбрал и основное направление пути. Условиями контракта допускалось и отклонение от избранного направления, но не свыше 5 верст в сторону. За строительством наблюдал инспектор от Министерства путей сообщения; в министерство представлялись и все технические отчеты по работам. Подрядчик обязался не только построить магистраль со всей положенной инфраструктурой, но еще и снабдить ее подвижным составом. Он должен был поставить 9 паровозов весом до 28 т, 25 — до 35 т; вагонов пассажирских — 90, товарных — 560.