上海南站的建築設計師是法國AREP公司。從外面看，上海南站像壹個飛碟。主體建築設計為壹個巨大的圓形鋼結構，高47米，穹頂直徑270米。建築整體結構總面積超過50000平方米。截至2006年7月，上海南站主體建築及南北廣場占地60.3公頃，東起柳州路，西至老滬閔路，北至滬閔路，南至石龍路。
其中北廣場12.9公頃，南廣場12公頃，南站13.8公頃，居住區13.6公頃，周邊道路8公頃。上海南站最大的建築特點是地上建築少，三分之二的建築面積在地下，為綠化騰出了空間。上海南站綠化面積累計達到8.5公頃，綠化率達到32%。？
上海南站主樓南北貫通，AG低，高架候車。由南向北的火車可以從主樓的架空部分通過，寓意“車輪滾滾，與時俱進”。南北廣場設計為園林綠地和遊客集散中心，南北廣場地下設計兩層商鋪、道路和停車場。