铁路上海南站位于上海市徐汇区西南部，主站屋和车站南北广场占地60公顷，南站主站屋设计为巨大圆形钢结构，高47米，圆顶直径200多米，总面积5万多平方米建筑整体结构，气势磅礴。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、即将建设的轻轨L1线、部分长途客运和旅游专线等，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”。

　　1996年11月，上海市人民政府、铁道部共同下达了《关于上海市地铁3号线建设项目会议纪要》，提出铁路上海南站的规划建设要按“统一规划、一次动迁、同步实施、逐步完善”的原则。《会议纪要》决定，铁路以内环线置换上海市400多亩土地，用于建设铁路上海南站。

　　经国务院批准，上海南站交通枢纽总投资33.8亿元，其中包括铁路站屋及行车工程、广场及市政配套工程、邮政专运站工程。与此同时，上海市还投资近20亿，配合主体工程进行轨道交通一号线、三号线上海南站站改建和新建一批配套工程。铁道部也投入相应资金，对线路电气化等设备进行改造。

　　铁路上海南站站屋工程由法国AREP公司和华东建筑设计院联合设计，上海建工（集团）总公司总承包施工。行车工程由铁道第四设计院负责设计，中铁二十四局总承包施工。

　　2002年4月9日，铁路上海南站工程建设指挥部、上海南站广场投资有限公司揭牌，时任上海市市长陈良宇、铁道部副部长蔡庆华出席揭牌仪式并讲话。

　　2002年7月28日，铁路上海南站与地铁一号线上海南站相关工程同时开工。2003年12月23日，国家发改委正式批复上海南站开工。

　　2006年6月19日，由上海市、铁道部组成的工程初验委员会，对铁路上海南站工程进行验收并一次通过。6月25日上午8时15分，首趟N521次列车从上海南站开出，直驶“天堂”杭州，这标志着上海南站开始试运营。7月1日，上海南站正式开站运营，首开旅客列车32对。

　　铁路上海南站不仅是上海中心城市的南大门，也是联系长江、珠江三角洲及我国南方其他城市包括港澳地区的重要交通枢纽。上海南站投入使用后，旅客年发送量为一千二百七十万人次，最终将达一千五百万人次。