2010年10月26日滬杭高速鐵路開通運營後，原先上海南站開行的D字頭列車全部轉移至上海虹橋站開行，上海南站不再開行D字頭列車。
受此影響，原每日客流大致在7萬左右的上海南站運能減少34520人次。2012年9月28日城際化改造完成的金山鐵路投入運營，上海南站開行前往金山衛站的C字頭動車組列車。
為應對金山鐵路公交化的運營模式，上海南站將專用作金山城際列車的10、11號站臺加高以停靠動車組列車，同時設置原西南出口區域為單獨的金山鐵路旅客乘降區：包括旅客專用進出通道、等候區域和通道並聯通10、11站臺。
目前上海南站始發的動車組列車均為運行在金山鐵路運行的列車，同時存放於上海南動車運用所的動車組列車出入庫亦需通過本站。在2007年1月至2010年10月26日，該站也是滬昆既有線動車組列車的始發站，但自2010年10月26日滬杭高速鐵路開通運營後，原先在上海南站開行的D字頭列車全部轉移至上海虹橋站開行，而該站也一度成為只辦理普速列車接發任務的車站。
2012年金山鐵路支線改建工程改造完工後，上海南站正式開行往金山衛方向的城際動車組列車，由此上海南站也恢復為辦理動車組列車始發任務的車站。隨著復興號CR200J型電力動車組的上線，上海南站曾於2019年3月底開行始發經既有滬昆鐵路至杭州站的D字頭列車。另外在2019年5月起，上海南站亦開行由CR200J擔當的，開往義烏、金華、開化的D字頭列車。2019年7月10日起，原先在上海虹橋站開行的沿長江至重慶、漢口方向4對動車組列車改為在上海南站始發，同時將常態化開行由CR200J擔當的5對D字頭列車，由此上海南站恢復開行長途動車組列車。
在上海南站建成以前，長期以來上海只有上海站這一個主要鐵路客運車站，單以上海站並不能完全滿足緊張的鐵路客運需要。
早在二十世紀九十年代初建造上海軌道交通3號線（地鐵）時，上海已經有了上海南站的建設計劃，當時稱「上海第二客站」。
1996年11月，上海市政府和鐵道部共同商議建設鐵路上海南站，決定拆除原滬杭鐵路內環線及將徐匯區的400多畝土地，用於建設新的鐵路上海南站。1999年底，為了儘快緩解上海站的壓力，就在一年內完成了上海南站應急工程，規模為3臺7線，部分經滬杭鐵路南下的列車轉到臨時的上海南站到發。2001年4月，進行上海南站站房設計招標，有包括來自日本、法國、德國、加拿大、美國和中國國內的設計院等投標，同年11月，最後由AREP設計公司公司和上海現代集團華東建築設計研究院有限公司聯合中標。
2002年4月9日，上海鐵路南站工程建設指揮部成立，標誌上海南站交通樞紐工程全面展開，總投資33.8億元人民幣。2002年10月21日，因施工需要，原來在臨時上海南站到發的8對旅客列車、4對市郊列車轉到屬臨時性質的梅隴站辦理客運。
上海南站真的很漂亮，感覺是全國最美的了。可以不停高鐵動車了。