廣州南站設有配套的地鐵車站，於2010年9月25日投入使用。 目前2號綫、7號綫、22號綫和佛山地鐵2號綫停靠本站。 其中，佛山2號綫車站建於廣州南站西廣場下方，廣州2、7號綫車站設於站房下方，廣州22號綫車站設於東廣場下方。 九廣鐵路（英段）雖然於一九一○年十月一日已通車，但尖沙咀的九龍總站卻於一九一三年才動工興建。
人口統計數據影響當時新市鎮及整體城市規劃，特別是對沙田、屯門、荃灣及將軍澳的交通規劃出現大幅度的改變。 因此顧問公司修正所倡議之集體運輸系統的建造估價及規模，並遞交另一份報告[9] 加以補充。 火炭鐵路大樓由劉榮廣伍振民建築師事務所設計，以3幢建築物組成：主體大樓、附屬大樓及物料儲存倉。 鐵路大廈 面向樂景街的主體大樓高11層，總樓樓面12,000平方米，集合了九廣鐵路公司各部門的辦事處。 附屬大樓在主體大樓之右方，樓高3層，設有倉庫、工場員工餐廳及各種康樂設施，並有天橋接駁御龍山商場。 除了城市軌道交通外，廣州南站在西側設有的士站、巴士總站，東側則設有長途客運車站。
鐵路大廈: 車站結構
東涌綫和機場快綫通車初期設7列車卡，東涌綫列車和機場快綫列車分別於2003年初和2005年10月起改為8卡列車，以配合南昌站及博覽館站啟用後所增長的客量。 2005年6月1日開始，欣澳站啟用，以準備迪士尼綫於當年8月啟用。 機場快綫及東涌線的全程行車時間分別修定為25及29分鐘[17]。 補充報告[9] 建議將金鐘至旺角的4條路軌減少至2條路軌，沙田綫縮短至鑽石山，同時建議先行興建荃灣綫、觀塘綫及港島綫的主要路段，其他路段另考慮以延伸的方式興建，足以影響日後的《集體運輸計劃總報告書》[10] 的方向。 大部份港鐵站內的大堂都設有街道圖，指示出港鐵站鄰近的酒店、文娛設施、購物中心、主要大廈及其最近港鐵站出入口。 2020年10月1日廣州南站運送客流43.7萬人次，而2021年10月1日運送旅客46.6萬人次，創下廣州南站開通十年以來的最高紀錄[23]。
因此，香港政府於1964年邀請了來自英國的道路研究部門——倫敦運輸委員會及道路研究實驗室（London Transport Board 鐵路大廈2023 and the Road Research Laboratory），就香港交通未來發展進行研究。 1964年成立了公共運輸調查小組（Passenger Transport Survey Unit，PTSU）[5]，後於1967年發表《香港乘客運輸研究》[6]。 鐵路大廈2023 研究指出1986年香港人口將達至6,868,000人，故此香港有必要興建集體運輸系統，以解決人口增長所出現的交通問題。 鐵路大廈 隨着九廣鐵路總站於一九七五年遷往紅磡，尖沙咀的總站大樓於一九七八年拆卸，原址保存的鐘樓，成為見證香港鐵路早期歷史的重要標誌。 在2016年春運期間，由於廣州火車站客流密集，廣鐵集團（現為廣州局集團）決定啟動「普鐵轉乘高鐵」的措施。 其措施為：部分在廣州火車站乘坐普速列車的乘客，可在工作人員的指引下免費乘坐地鐵專列到廣州南站轉乘高鐵，無需加價換票[26]。
鐵路大廈: 港島綫
荃灣綫通車後，於1982年5月10日取代修正早期系統，經尖沙咀直達中環。 同日起，修正早期系統餘下路段改名為觀塘綫，並需要縮短至油麻地。 這是由於在修正早期系統相關文件[11] 及1976年《香港整體交通研究》[14] 指出，荃灣綫在需求量、必要性、技術上的要求進行的。 鐵路大廈 自此之後，東涌綫通車，分流了來往香港站以東及荔景站以北的大批乘客。
港鐵公司於平日辦公時間，設有員工穿梭巴士接載員工及承辦商，由火炭鐵路大樓來往九龍灣港鐵總部大樓，班次為每小時一班。 港鐵總部大樓於2007年12月2日前稱為地鐵大廈（英語：MTR Tower），同日因應兩鐵合併，地鐵有限公司改稱為香港鐵路有限公司而改稱為港鐵總部大樓。 廣州南站站房建築面積約為168000平方米（僅計算候車大堂和售票大堂等鐵路客運設施），車站建築總高度為50多米，中部有一個64米的大跨拱形結構。 目前站房採用綫上架空候車結構，並在東西兩側設置站前架空落客平台。 鐵路大廈 站房功能上有着特殊性，大跨度、大視角是廣州南站最主要的空間設計要求，雄偉壯觀的廣州南站建築外形具有嶺南文化特色的「芭蕉葉」為設計意境，體現出它不僅是一個超大體量的鐵路樞紐站，而且建築結構本身很有藝術性。
鐵路大廈: 修正早期系統
為提高香港鐵路運輸系統的效率，政府計畫把地鐵與九廣鐵路合併。 有人認為合併後可節省行政開支，使票價有下調空間[29]。 有人則認為合併會令該系統成為「獨立王國」，造成壟斷局面[30]。 鐵路大廈2023 該段隧道及車站的BOT專營權為期15年，已於兩鐵合併後的2008年終止，並按地鐵上市時與熊谷組簽訂的協議，移交予已易名港鐵公司的地鐵公司（稱為地下鐵路地段第3號）。
廣州南站的候車廳、屋頂及無月台柱雨棚均為大跨度預應力索拱索殼、三向張弦拱等新型剛結構體系。 [12]而車站屋頂安裝了面積約2000平方米的太陽能電池板，將太陽能轉為電能後，直接為車站供電。 廣州南站的總建築面積為37萬平方米，整體建築包括主站房、無柱雨棚、架空車場（月台）、停車場等，總投資130億元人民幣。 車站總用鋼量達7.9萬噸，約為中國國家體育場（鳥巢）鋼結構的1.7倍，另外工程又使用混凝土150萬立方米。 為配合將軍澳綫通車，地鐵購買13列由南韓Rotem及日本三菱重工株式會社製造的韓製列車。 這批列車原本是行走將軍澳綫，但後來發現新列車不能即時適應兩套新舊列車系統[50]。
鐵路大廈: 旅客列車目的地
與此同時，為配合無障礙運輸，地鐵在1998年起作出多項改善措拖，以方便傷健人士使用地鐵。 包括在車廂內加設輪椅專用位置、失明人士引導徑、闊閘機及升降機等。 然而，有別於世界各大地鐵系統，香港的地鐵基於地底通風及清潔困難等衛生理由及無法處理保安問題等安全理由，在除了機場快綫及迪士尼綫的車站外之外，均不設洗手間設施[49]，不過有需要時可向職員提出，要求使用職員洗手間。 鐵路大廈 此外，另有個別車站亦已陸續安裝自助式輪椅升降台，以便解決部份車站未能加裝升降機的問題。
而該站的設計最高運能為每日50萬人次，因此該站日均客流也超過了最高設計運能，車站也長期處於超負荷運作之中[24]。 廣州南站預計年運送旅客量近期可達到7800萬人次，長遠規劃則為1億1600萬人次。 [9]目前車站日均運送旅客18.1萬人次，到達旅客18萬人次。 2012年9月，中和線在新莊線東門站通車後，改為直通中和新蘆線，本站開始作為常態的端點站，開行本站至北投站的區間車，在信義線通車前，補充原「北投-南勢角」的列車運能。 2013年11月信義線通車後，取消「北投-台電大樓」營運模式，改開行本站至西門站（與台北捷運小南門線直通營運）的區間車，以補足原「北投-台電大樓」列車在「中正紀念堂-台電大樓」段的運能。 鐵路大廈2023 旅客在購買及使用上述旅客車票時，均需要出示護照或其他旅客證明文件，以證明非香港居民，並於香港境內逗留不超過14日。
鐵路大廈: 港鐵總部大樓
另外，由於1983年3月動工的上環站至中環站的隧道工程需要遷移受影響的消防處大樓及上環街市[13]，因而中環站的港島綫月台及上環站較其他港島綫路段遲1年開放，有關路段於1986年5月23日啟用。 1985年5月31日，港島綫（金鐘至柴灣段）通車[13]。 剛巧於同年3月，顧問公司收到1966年的中期人口統計的數據，發現新的1986年的預期人口大幅調整為5,647,000人，比1967年的報告大幅減少1百萬人。
故此，地鐵曾要求向運輸署增加車輛行走，但被否決，主要原因還是因為巴士班次不平均，很難說是巴士不足的問題。 結果，中巴和九巴也分別加價，乘坐M線巴士的人數減少，最終九巴的40M線於1984年2月被取消；而九巴的5M線則於1985年2月16日因客量大跌被取消。 同時也有部份M線巴士被跟其他巴士路線合併，甚至其他的巴士公司的巴士線合併，例如九巴的11M線於1986年6月29日與29線合併，形成今日的九巴29M線；中巴的24M線也與5M線（堅尼地城↔中環）合併為5C線。 有些甚至完全廢棄原有的行駛路線而另立新線，例如中巴的23M線被改成第16線（1987年再與10M線合併，再於1988年與10A線合併，直至中巴專營權結束）。 至於地鐵當時訂購的20輛DMS巴士於1980年代至1990年代改為行走城巴屋邨巴士和海洋公園專線。
鐵路大廈: 鐵路大廈附近配套設施
香港的地鐵開始引入月台幕門，由1998年6月東涌綫及機場快綫通車起，在車站安裝月台幕門，其他新建車站在落成時亦裝設了月台幕門。 地鐵又於1996年為現有的地底車站展開加裝月台幕門展開研究[45]，並於2001年進行有關工程，[46]，整個加裝月台幕門於2006年3月全部完成[47]。 而東涌綫、機場快綫及將軍澳綫的新建車站在落成時均已裝設了月台幕門。
為保將軍澳綫能如期通車，地鐵決定重組英製列車的車卡排列，把大部分於1988年至1989年、1994年至1998年間購入的英製列車調動至將軍澳綫行走，最終使13列韓製列車行走觀塘綫，這個方案延續至兩鐵合併後的港鐵。 一直到2010年，韓製列車經過改良後，於4月8日再次安排所有韓製列車行走將軍澳綫。 而之前跟觀塘綫對調來行走將軍澳綫的15列第2C及3代英製列車，已經全數調回觀塘綫。 然而，除機場快綫外（博覽館站至機場站不設雙程來回車票），香港的地鐵不設有雙程來回車票。 不過，地鐵卻建議乘客如需前往較繁忙的車站，如中環、尖沙咀及旺角等車站時，可預先多購一張車票作回程之用，但車票只限即日有效。
鐵路大廈: 香港地鐵
列車服務班次為4至15分鐘一班，服務時間會配合香港迪士尼樂園的開放時間及地鐵系統的服務時間，方便乘客由迪士尼樂園往返市區[27]。 鐵路大廈 為配合方便觀塘綫乘客適應在油塘站轉乘將軍澳綫列車前往香港島，將軍澳綫及觀塘綫來往北角站及藍田站至油塘站的路段於2002年8月4日啟用，列車在離開鰂魚涌站及東區海底隧道路段之後，不再前往藍田站，改行一段新建的鐵路前往新的油塘站。 另一方面，原來於興建東隧時從東隧九龍入口至藍田站的路段亦停止列車進出，目前該路段只供工程車進出及作後備行車線（如2013年12月16日，將軍澳綫電力故障導致全線暫停服務，觀塘綫部分班次通過此隧道以北角為終點站）。
