长沙站的设计方案主要结构是“方盒子 钟楼 火炬”，方盒子是指下面的主楼，钟楼是为了方便大家看时间准时乘车，火炬则是为了体现长沙元素。长沙站为前后错层、地道进站的田字形平面；带有民族风格的钟楼火炬，象征着长沙是毛主席点燃革命烈火的地方。车站的火炬燃烧方案是由万里部长拍板：没有风，火炬火焰冲天燃烧，体现“风平浪静，国泰民安”。
据1983年3月《古城长沙》显示，长沙站车站大楼高23米，宽151米，建筑面积为19000多平方米，车站广场总面积为37000平方米。
据2000年出版的《湖南五十年大事记述》显示，长沙站站房主楼高63.1米，宽150米，总面积为42064平方米，一次可同时容纳旅客6000人候车。
2015年改造后的长沙站总面积达6.8万平方米。
据1983年3月《古城长沙》显示，长沙站大厅两侧分设快、慢车候车室，各候车室均有供旅客盥洗、饮水、取暖等设施。广场南边为售票大厅，北边为邮电大楼，行包房设在大楼南侧。
据2000年出版的《湖南五十年大事记述》显示，长沙站由站场、站房、广场3大部分组成。设有3个普通候车室和母婴、军人、软席、雅座候车室。
车站采用客运工业电视、电子计算系统，有电子自动显示列车始发、到达和直通到开时刻、自动广播系统等技术，对各车间实行现代化的微机管理。售票房、行包房实行微机到达查询，微机制票，微机结帐。站房顶部的钟楼位居中央，火炬模型耸立在钟楼上。
1975年长沙新建火车站时，正是“文化大革命”期间，有比较特殊的政治意义，上级部门要求长沙站的造型能表达”星星之火可以燎原”这一主题思想。万里部长建议设计要体现毛主席早期革命纪念地的概念，还要体现交通建筑的特点，而且提出必须要有个钟楼。
车站的火炬这一元素就有了比较特殊的政治意义：湖南是毛主席的家乡，长沙又是毛主席早期从事革命活动的城市，火炬代表“星星之火”的源头，体现着“星星之火，可以燎原”的思想。
机场巴士
从长沙站出发，沿五一大道走5分钟左右可到达火车站对面的民航大酒店，在民航大酒店乘坐机场巴士前往黄花机场。
城际铁路
长株潭城际铁路设有城铁长沙站与长沙站形成姊妹站，通过站台下的两条地下通道，城际铁路和普速列车之间可方便换乘。通道只针对换乘旅客，从长株潭城铁换乘普速列车，持有普速列车车票才能进入；从普速列车换乘长株潭城铁，持有长株潭城铁车票才能经通道进站上车。
公交线路
长沙公交1路
长沙火车站
长沙火车站—碧沙湖
05:30--24:00
长沙公交7路
长沙火车站
长沙火车站—汽车南站
05:00--24:00
长沙公交9路
长沙火车站
长沙火车站—沿河路公交首末站
05:30--24:00
长沙公交12路
长沙火车站
长沙火车站—汽车西站
全天24小时运营
长沙公交169路
长沙火车站
长沙火车站—韶光社区
夏：06:20-21:00
冬：06:30-20:30
原168区间线
长沙公交101路
长沙火车站
德汇路口—碧沙湖
06:00--22:00
长沙X103路
长沙火车站
长沙火车站—上海大众(榔梨)
夏：06:00-21:00
冬：06:10-20:30
长沙公交104路
长沙火车站
长沙火车站—九峰公园公交首末站
06:00--21:30
长沙公交105路
长沙火车站
长沙火车站—大托城外城
06:30--21:00
长沙公交107路
长沙火车站
长沙火车站—汽车南站
05:55--22:00
长沙公交108路
长沙火车站
长沙火车站—劳动广场
06:00--21:00
轨道交通
长沙站有长沙轨道交通2号线、长沙轨道交通3号线途径，2号线已开通运行，3号线在建设中。
长沙轨道交通2号线途径长沙站，分别通向光达、梅溪湖西2个方向。从梅溪湖西到光达方向和从光达到梅溪湖西方向的首车发车时间均为6:00，末车发车时间均为23:00。
长沙轨道交通3号线一期工程长沙站（地铁站）位于车站路与五一路交叉口，靠近火车站广场。据2018年4月长沙市轨道交通集团有限公司声明，3号线一期工程通车时间将根据工程进度确定。
长途汽车
距长沙站近的汽车站为长沙长株潭汽车站，位于火车站对面。
1911年，帝国主义列强打着“开发中国”的幌子，胁迫清政府借款修筑粤汉铁路。在铺设长沙至武昌的铁轨期间，盖起了小吴门火车站，这是早的长沙火车站，位于市区中心今五一大道以南、浏城桥以北的肇家坪对面。车站为办理客、货运的二等站，仅有3股道，候车室160平方米，只能容纳100多名旅客候车。
抗日战争时期，中国国民党实行焦土抗战，车站化为一片瓦砾。
中华人民共和国成立后，对小吴门火车站（现芙蓉广场的位置）逐年改造，1965年，候车室增至4000多平方米。
20世纪60年代末70年代初，湖南省和原铁道部曾多次动议将长沙小吴门火车站迁移，重建新站。
1974年起，新长沙站建设开始筹备工作。时任铁道部部长万里在看见湖南想建设新火车站的报告后，立即提笔签字同意，并在设计上提出一些建议，建议湖南在新车站设计上体现“一是长沙，二是车站，要比北京站小一点，比广州站好一点。”
1975年，邓小平同志大力强调发展国民经济，充分发挥铁路“大动脉”的巨大作用，搁置多年的长沙站新建计划被提到重要日程上来。经原铁道部、湖南省人民政府报请国务院批准，决定兴建新车站，在新线拉通以后，立即拆除长北至长南区间这段铺设在市区中心、有碍城市发展的约8公里原有轨道。
1975年7月，长沙新车站的建设方案和图纸被审定，在城东五一路终端破土动工。
1977年7月1日，中国共产党诞生56周年之日，长沙站在庆贺声中正式建成通车。与当时的火车货运北站相区分，人们称其为长沙东站，是京广线上的一等客运站，共有10个车间，12个股室，职工人数898人。
据1977年长沙车站通车典礼大会上的指挥长讲话稿，全长沙市广大人民参加建站义务劳动有40多万人次，各有车单位支援车站运输材料物资30多万吨。
2009年，长沙站获得了“建国60周年建筑创作大奖”。
2013年，长沙站的钟楼时钟经过了建成以来的大一次维修，在保持钟面外观不变的情况下，采用了多项中国国内新技术，控制系统采用GPS卫星定位系统自动校时，确保极少出现误差。
2015年，长沙站进行了改造。
2015年改造后的长沙站共7台16线。
长沙站联系着京广铁路、沪昆铁路、石长铁路、长株潭城际铁路等铁路干线。
自助购票
2013年1月，长沙站购入5台自动售票机。
2017年4月，长沙站在第二售票厅增设15台取票机。
便民设施
2017年春运期间，长沙站投入使用了2台自助进站闸机。旅客通行需停留两次，第一次进行票、证验证；随后旅客进入第二道闸口，停留进行“人脸识别”。“证、票、人”识别通过后进站。全程一般6秒左右即可进站。4月，长沙站再次投入10台优化版“票证人自助核验闸机”。
2017年春运，车站进站口外搭建临时进站雨棚为排队进站的旅客遮风挡雨；在做好窗口、互联网购票、电话订票、代售点售取票的基础上，新增自动取票机进校园、集中办理学生团体票等售取票方式；完善车站与地铁、公交等交通方式的接驳方案，针对站内换乘，合理设计流线，将普速场三候车室旁通道改建成城际候车通道，在连通普速场与城际场的地道内安装隔断伸缩门和卷闸门、单向门等设备设施，实现了普铁与城铁快捷换乘。
2017年春运，长沙站在售票厅与候车大厅安装了7台触摸屏终端，开发并使用线下旅客服务评价系统，该系统集查询列车正晚点、候车地点、特色服务、客服评价、客服投诉、应急求助等功能于一体，为旅客提供的候车信息，同时面向社会对车站工作人员的服务质量进行监督。
客运流量
1973年，根据铁路部门的统计，长沙站年发送旅客人数达到312万人。
2015年9月25日至10月7日共13天期间，长沙站普铁累计发送旅客77.8万人，同比下降7.9%。
截至2017年10月8日18:00，2017年长沙站国庆、中秋小长假期间普铁发送旅客81.55万人（日均7.96万人），同比增加11.77万人，增长16.87%。高峰日10月1日创历史新高，发送12.6万人，同比增加1.28万人，增长11.26%。
2017年40天春运，长沙站累计发送旅客158.6万人，同比增长11.6%。
2018年春运，长沙站发送旅客182.97万人次，同比增加24.39万人次，增长15.38%。节前高峰2月10日发送5.95万人次，同比增加1.14万人次，增长23.77%。节后高峰3月3日发送6.21万人次，同比增加1.23万人次，增长24.78%。
