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南来北往的火车可从主体建筑的架空部分穿行而过，主站屋为南北贯通、高进低出、高架候车。大致分为三层：中层与地面同高，为站台层，设有13条铁轨和6个上下客站台
另有通道与南北广场相连，还设有贵宾候车室、车站公安派出所等；上层为出发层，设有周长为800米的高架环形出发平台、可同时容纳一万余人候车的大空间候车区、检票通道等
下层为到达层，设有旅客出站地道、南北地下换乘大厅、地铁一号线、三号线，部分长途客运和旅游专线等
客站站场设铁路到发线10股，旅客站台6座，北侧为基本站台，其余5座为中间站台，设计能力为日到发客车60对，日停靠77对客车，年发送旅客1500万人次，候车室最高集结人数为6000人。
面积相当于40个标准足球场大小的地下空间，纵横交错，四通八达，旅客可随意实现多种交通工具的“零换乘”。南站南北广场平面设计为园林绿地和旅游集散地，南北广场地下设计二层商铺、道路和仃车场，总建筑面积为12万平方米。
上海铁路南站共安装各类机电设备3330台，铺设电缆370公里，各类管线295公里，灯光30000套（组）。上海铁路南站屋顶是世界上最大的圆形透光屋顶。
采光顶犹如一顶“无柄”巨伞。这顶直径278米的巨伞，撑开的伞面有6万平方米，由八千多吨钢、十四万件约五万多平方米的阳光板组成，全靠伞边缘54根永久钢柱支撑。
采光顶透光材料类似“三明治”结构，最上层是减少强光照射的铝合金遮阳板，中间一层关键材料是通用电气塑料集团的力显聚碳酸酯板材，这两种材料既保证透光率65％，又构成阻挡紫外线的联合防线。
如果有效挡住了紫外线，阳光中70％的热能就无法渗入。这些透光性好的新板材，不仅可使夏季屋内降温和照明费用减少40％，独特的涂层技术还使屋顶具有遇水自动清洁功能。无需时时派人爬上屋顶清洗。
上海作为我国最大的经济中心城市和具有国际影响的特大城市，仅有上海、上海西主辅两处客运站是远远不够的。
为此，铁道部、上海市领导高度重视，早在上海明珠线（地铁3号线）建设时，就做出建设铁路上海南站的决策（当时叫上海第二客站），并要求把上海南站建设成为“廿一世纪上海标志性建筑”。