南京火车站始建于1968年9月，位于金陵古城城北，地处浩浩扬子江畔，巍巍紫金山下，前临玄武湖，后枕小红山，地理位置优越，景观环境优美。2002年由铁道部、江苏省、南京市三方共同投资在原址改建，新站房改建工程总投资3.5亿元，历时三年，于2005年9月1日作为十运会重点工程项目投入试运行。
　　新建成的站房外型采用法国AREP公司的设计方案，内部功能采用铁道第四勘察设计院的设计方案，充分体现了标志性、功能性、系统性、先进性和文化性的有机结合。车站站房采用桅杆斜拉索悬挂结构，用18根桅杆支撑起横向钢梁，象一艘竖起桅杆、拉满风帆的巨型帆船停泊在美丽的玄武湖畔，既具有江南文化特色，又融合现代化气息。

　　新站房建设充分体现了“一切以旅客为中心”的理念。站房东西长270米，南北进深53.5米，地下1层，地上3层，站房总建筑面积41000平方米，是原站房面积的6倍。客流高峰期每小时可容纳1万名旅客候车，比原站候车能力增加4倍。售票大厅设有32个售票窗口和8个应急售票窗口，票厅面积1155 m2。站房一层西端为行李房，中部为售票大厅，东端为软席贵宾候车区；二层为进站大厅、普通候车室、母婴、军人、“158”（要我帮）工作室等专用候车室；三层为普通旅客候车室。为方便旅客在各层之间的衔接，车站共安装各类电梯32部，其中自动扶梯18部，自动代步电梯4部，垂直升降梯10部（7部残疾人电梯、3部货梯）。
　　南京站新站房建设采用了大量先进技术，主体结构由18根后倾钢管混凝土柱为主要受力构件，大面积、大跨度的斜拉索轻钢屋盖体系，现代化的悬挂结构技术，通透的点式玻璃幕墙，自动监控消防水炮，远距离送风大温差设计分层空调系统，处处体现了现代科技与新型建筑的完美结合。此外，车站同步建成了电视监控、电子引导、列车到发预告、多媒体查询等客站自动化管理信息集成系统，具有国内一流水平。
　　南京站新站房运用立体化的交通组织，旅客进出站采用“高进低出”流线，进站可以乘车通过高架环形车道直达二层平台进入候车大厅，地下出站大厅与地铁南京站及停车场相连，旅客可以选择地铁、出租车、社会车及公交车换乘，在国内铁路站房建设中首次实现了真正意义上的 “零距离”换乘。
　　较新站房后开工的南京站站场改造工程主要包括新建无站台柱钢结构雨棚，增加2线1站台、2座进站天桥，新建出站、行邮包地道以及其它配套设施。无站台柱钢结构雨棚覆盖面积达47500平方米，雨棚长543.5米、宽87.5米，由75根特种钢柱支撑，最高点距站台面20.456米。出站地道长110 米、宽7.5米、高3米，行包地道长110米、宽5.25米、高3.1米，邮包地道长110米、宽5.25米、高3.1米。行包和邮包采用专用地道进出，改变了原来通过平过道跨线上站台的方式，确保列车安全畅通。跨线天桥设有梯道，残疾人专用电梯与各站台相连，旅客可以便捷地到达各站台。
　　新客站站前景观广场分为集散主广场区、过渡性引导广场区和湖滨亲水休闲区，总面积近4万平方米，比原站前广场增加1倍。集散主广场区面积约2万平方米，直接连接主站房、地铁出入口，与各停车场连接快捷，以大面积铺地为主，两侧还栽植树木花草。过渡性引导区的中间绿地作下沉处理，放置各式景石，两侧伴以雪松树阵。湖滨亲水休闲区搭建了“亲水平台”，玄武湖中心有一个138米高水柱的“超级”喷泉，喷出的水流速度超过1秒钟100米，伸手触摸荡漾的湖水，即可感受到江南水乡的柔美。