2008年7月20日，上海虹橋火車站開工建設，站房及車場工程計劃竣工日期與京滬高鐵工程同步。其中，主站房和綜合場工程在2010上海世博會期間投入使用。2009年5月，上海虹橋火車站完成地下鋼結構安裝，開始地上鋼結構安裝施工。8月，車站進入屋面鋼結構安裝施工階段。165438+10月21，車站完成站房主體鋼結構安裝，進入內部裝修、設備安裝、屋面施工階段。2010 7月1日，上海虹橋火車站至滬寧城際鐵路同步投入運營。8月12日，上海虹橋火車站始發至北京南站、天津站的D字頭動臥列車。
2065438年7月1日，上海虹橋火車站始發滬蓉動車，這標誌著長江經濟帶陸上走廊上海至韓榮高鐵的開通，串聯起整個長江經濟帶的客貨動車走廊。上海虹橋火車站65438+2月11始發，開往廣州南站的G字頭列車。2016 9月10，上海虹橋火車站始發至鄭州東站、Xi安北站、石家莊站、太原南站、青島站的G字頭列車。2月28日，65438，滬昆高鐵貴昆段投入運營。次年，從65438+10月5日，上海虹橋火車站始發G字頭列車至昆明南站，標誌著滬昆高鐵全線正式開通。
2017年6月26日，由我國自主設計研制、具有自主知識產權的中國標準動車組列車復興號在京滬高鐵兩端雙向首發，在上海虹橋火車站擔當G124次列車。7月10，上海虹橋火車站始發G字頭列車至蘭州西站。2019 11.20，第二批電子客票應用推廣啟動，上海虹橋火車站將告別紙質車票，進入電子客票時代。2022年9月19日，濮陽東站至上海虹橋火車站的G3251次列車、上海虹橋火車站至濮陽東站的G3252次高鐵列車始發。
上海虹橋火車站及相關工程由鐵道第三勘察設計院集團有限公司、中鐵第四勘察設計院集團有限公司、上海現代建築設計(集團)有限公司設計，以直、方、體為設計理念，體現了海派文化和現代火車站功能性、系統性、先進性、文化性、經濟性的建設理念。
上海虹橋火車站總建築面積約44萬平方米，其中站房建築面積約24萬平方米，無站臺柱雨棚面積6.9萬平方米，僅候車大廳、售票大廳等鐵路客運設施就為14.5萬平方米；東西長412m，南北寬162m，建築高度42m。上海虹橋火車站主體結構為鋼-混凝土組合結構，屋蓋鋼結構采用彈性、球澆築、多肢支撐的形式。總用鋼量近8萬噸，約為北京奧運會主會場鳥巢外部鋼結構的兩倍。其中地下用鋼量約3萬噸，地上用鋼量約5萬噸。24根主鋼梁位於屋頂頂部42米處，每根長62米，高5.6米，重63噸。上海虹橋火車站主站房由站房、無站臺柱雨棚、車站設備、南北輔助辦公樓等組成。站房采用線上高架候車，線下出站的結構，東西兩側設有高架落客平臺，外觀與機場航站樓相似。
車站候車大廳面積約11340平方米，最多可同時容納10000人。候車大廳是壹個全開放的空間，沒有單獨的候車室。進入車站大廳後，乘客可以在候車區候車，也可以去商店購物或參觀觀光平臺。乘客可通過南北高架站臺和各條公交線路直接進站，地下可從交通換乘大廳乘坐扶梯進入候車大廳。檢票口主要位於候車大廳兩側，檢票口上方的電子屏幕顯示車次名稱和開車時間。乘客可以根據車票上的信息選擇相應的檢票口就近等候。每個檢票口都配有自動檢票口，標有“磁票入口”和“刷卡區”字樣。列車開始檢票時，乘客用車票或二代身份證核對無誤後，閘機就會打開。