La suicida detonó su carga frente al detector de metales dentro de la entrada principal de la estación, dijo el Comité de Investigación federal. Imágenes de televisión mostraban una gran bola de fuego naranja que llenó el salón y humo saliendo a través de las ventanas quebradas.
"Había personas en el suelo, gritando y pidiendo ayuda", dijo Alexander Koblyakov, un testigo, a la cadena Rossiya-24 TV.
El investigador ruso Vladimir Markin dijo que 16 personas murieron en el atentado, entre ellas dos que perecieron en el hospital.
Militantes islamistas en el norte del Cáucaso han perpetrado una serie de ataques desde que el presidente Vladimir Putin llegó al poder en el 2000. Ahora representan el mayor desafío de seguridad y podrían perjudicar los Juegos Olímpicos que comienzan en la ciudad de Sochi dentro de 40 días.
Putin ordenó a las autoridades que tomen todas las medidas necesarias para reforzar la seguridad, dijo el portavoz del Kremlin, según citas publicadas por la agencia de noticias RIA.
Un portavoz de la policía federal, Vladimir Kolesnikov, dijo que se aumentará la seguridad en las estaciones de trenes y aeropuertos, con más oficiales en servicio y controles más estrictos.
La ciudad alguna vez se llamó Stalingrado en honor al dictador comunista Josef Stalin.
En la década de 1940, Stalin ordenó la deportación de decenas de miles de personas de la región, incluyendo a chechenos, a Asia Central bajo la sospecha de que eran favorables a la Alemania nazi. Miles perecieron en el exilio.
ADVERTENCIAS DE INSURGENTES
El Comité Federal de Investigación y otros funcionarios dijeron que el atacante era una mujer que se inmoló después de que un oficial de la policía se le aproximó con un detector de metales porque lucía sospechosa.
Un sitio web vinculado a las agencias de seguridad la identificó como una residente de Daguestán, una provincia adyacente a Chechenia que ahora está asediada por una campaña insurgente islamista.
Las atacantes suicidas - conocidas como "viudas negras" debido a que algunas son familiares de insurgentes muertos - han perpetrado varios atentados reivindicados por militantes islamistas.
Volgogrado es un gran centro de transporte en el sur de Rusia y se ubica 690 kilómetros al noreste de Sochi, que albergará los Juegos a partir del 7 de febrero.
El líder insurgente Doku Umarov, un checheno, instó en julio a los activistas en un video online a que usaran "el máximo de sus fuerzas" para evitar que Putin albergue los juegos.
"Podemos esperar más ataques similares", dijo Alexei Filatov, segundo al mando de la asociación de veteranos de la unidad de elite anti terrorista Alfa.
Volgogrado será una de las ciudades anfitrionas de la Copa Mundial de fútbol de 2018, otro evento deportivo de alto perfil que Rusia se adjudicó con ayuda de Putin y que llevará miles de visitantes extranjeros al país.
El ataque del domingo fue el más letal que ha visto Rusia desde enero de 2011, cuando unos insurgentes islamistas provocaron la muerte de 37 personas en un aeropuerto en Moscú.