虹橋高鐵站屬於上海市閔行區管轄，該站北端引接京滬高速鐵路、滬漢蓉快速客運通道，南端與滬昆高速鐵路、滬杭甬客運專線接軌，是上海虹橋綜合交通樞紐的組成部分，是華東地區重要的鐵路客運樞紐之壹。
2008年7月20日，上海虹橋站開工建設，站房、站場工程計劃竣工日期與京滬高速鐵路工程同步。其中，站房主體及綜合場工程在2010年上海世博會期間投入使用。2009年5月，上海虹橋站完成地下鋼結構安裝，開始進行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。11月21日，車站完成站房主體鋼結構安裝工程並進入室內裝飾、設備安裝及屋面施工階段。2010年7月1日，上海虹橋站與滬寧城際鐵路同步投入運營。8月12日起，上海虹橋站開行發往北京南站、天津站的D字頭動臥列車。
2014年7月1日起，上海虹橋站開行滬蓉動車，標誌著長江經濟帶的陸上大通道——滬漢蓉高速鐵路全線通車，串聯起整個長江經濟帶的客貨動車大通道。12月11日起，上海虹橋站開行發往廣州南站的G字頭列車。2016年9月10日起，上海虹橋站開行發往鄭州東站、西安北站、石家莊站、太原南站、青島站的G字頭列車。12月28日，滬昆高鐵貴昆段開通運營。次年1月5日起，上海虹橋站開行發往昆明南站的G字頭列車，標誌著滬昆高速鐵路全線正式通車。
2017年6月26日，由中國自行設計研制、全面擁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，“復興號”在上海虹橋站擔當G124次列車。7月10日起，上海虹橋站開行發往蘭州西站的G字頭列車。2019年11月20日，第二批電子客票應用推廣工作啟動，上海虹橋站將告別紙質車票，邁入電子客票時代。2022年9月19日，由濮陽東站開往上海虹橋站的G3251次、由上海虹橋站開往濮陽東站的G3252次高鐵列車首發。
上海虹橋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和上海現代建築設計（集團）有限公司設計，其造型以平直、方正、厚重為設計理念，體現了海納百川的海派文化及現代化鐵路客站的功能性、系統性、先進性、文化性和經濟性的建設理念。
上海虹橋站總建築面積約44萬平方米，其中站房面積約24萬平方米、無站臺柱雨棚面積6.9萬平方米，僅計算候車大廳和售票大廳等鐵路客運設施則為145000平方米；東西長412米，南北寬162米，建築高度42米。上海虹橋站主體結構為鋼砼組合結構，屋面鋼結構采用彈性、球鑄、多肢支撐形式；總用鋼量近8萬噸，約為北京奧運會主場館“鳥巢”外部鋼結構用鋼量的2倍，其中地下部分用鋼量約3萬噸，地上部分用鋼量約5萬噸；位於屋面最高處42米的24根主鋼梁，每根長62米、高5.6米、重63噸。上海虹橋站主體建築由站房、無站臺柱雨棚、站場設備、南北輔助辦公樓等部分組成，站房采用線上高架候車、線下出站的結構，在東西兩側均設置高架落客平臺，外觀與機場候機樓相似。
車站候車大廳面積約11340平方米，最高可同時容納1萬人候車。候車大廳是全開放的空間，不設立分隔的候車室，旅客進入站廳後，可以在候車區域內等候，也可前往商鋪購物或到觀光平臺遊覽。旅客可通過南北高架平臺、各條公交線路直接進站，地下可從交通換乘大廳乘坐自動扶梯進入候車廳。檢票口主要分列在候車大廳兩側，檢票口上方的電子屏幕顯示車次名稱和開車時間，旅客可根據車票上的信息選擇相應檢票口就近候車；每個檢票口都設有自動檢票閘機，上面標有“磁票入口”、“刷卡區”等字樣，車次開檢時乘客使用車票或二代身份證檢驗無誤後閘機就會開放。