上海南站的建筑设计方为法国 AREP 公司，从外观看上海南站好似一个飞碟，主站屋设计为巨大圆形钢结构，高 47 米，圆顶直径 270 米，建筑整体结构总面积达 5 万多平方米。

上海南站分为主站屋和车站南北广场。主站屋分为三层，中层与地面同高，为站台层，并设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，出租车也允许直接开至出发层；下层为到达层，设有旅客出站地道、南北地下换乘大厅、上海轨道交通 1 号线、上海轨道交通 3 号线、部分长途客运和旅游专线等，在站内实现换乘。

开尔新材承担的是上海南站主站房和车站南北广场的地下层换成空间，通道的墙柱面搪瓷钢板装饰，采用了白色、绿色和橘色的搪瓷钢板平板及弧形板。南北广场地下二层商铺、道路和停车场的柱面弧形搪瓷钢板。