上海火车站站位于上海闸北区上海火车站南广场地下及北广场地面，为上海轨道交通一号线的地下岛式车站及三号线、四号线的地面岛式车站。为避免混淆，位于南广场的一号线车站以上海火车站或上海火车站(南广场)为站名，而位于北广场的三号线、四号线车站以上海站或上海火车站(北广场)为站名。

车站由两个站台组成，一号线的站台位于天目西路民立路的南广场处，为地下岛式站台。三号线与四号线则共用位于北广场交通路太阳山路处的地面岛式站台，该站台平行于上海火车站的轨道。两个站台在付费区内互不连通，但在非付费区有通道连接。该通道同时作为上海火车站南北广场的沟通通道。