上海火車站站位于上海閘北區(qū)上海火車站南廣場地下及北廣場地面，為上海軌道交通一號線的地下島式車站及三號線、四號線的地面島式車站。為避免混淆，位于南廣場的一號線車站以上海火車站或上海火車站(南廣場)為站名，而位于北廣場的三號線、四號線車站以上海站或上海火車站(北廣場)為站名。

車站由兩個站臺組成，一號線的站臺位于天目西路民立路的南廣場處，為地下島式站臺。三號線與四號線則共用位于北廣場交通路太陽山路處的地面島式站臺，該站臺平行于上海火車站的軌道。兩個站臺在付費區(qū)內(nèi)互不連通，但在非付費區(qū)有通道連接。該通道同時作為上海火車站南北廣場的溝通通道。