民国33年（1944年）12月至民国34年（1945年）1月，在反法西斯战争中，对日作战的美军轰炸机先后3次轰炸奉天，将5座货物仓库炸毁。

民国34年（1945年）后，奉天驿被更名为“沈阳南站”。

民国37年（1948年）10月，由于沈阳市尚未解放，秘密进行沈阳南站的接收工作。

1950年5月1日，沈阳南站更名为“沈阳站”，并升至特等站。朝鲜战争爆发后，沈阳站成为向前线运输物资的集散地。为改善旅客候车条件，满足旅行需求，沈阳站进行了多次改扩建，但样式、比例、色彩等方面仍然延续原有建筑的风格。

2010年4月，沈阳站进行改造工程。

2012年7月9日，沈阳站候车室投入使用。

2013年，沈阳站东站房拆除南售票厅，仅保留并改扩建北售票厅。

2014年2月19日，沈阳站改造工程完工。

2019年10月1日，沈阳站西广场工程竣工。

2024年6月5日，沈阳站东广场开始进行升级改造。

2024年9月，沈阳站东广场改造工程全面完工。

沈阳站平面上讲究严格的轴线对称，正立面横、纵分三段式，中央及两翼有穹顶，红砖为墙，线脚、门窗框、墙角等用白石砌成，红白相间，色彩明快。

沈阳站东站房红色砖墙上檐头及门窗洞口均设有白色装饰线角。站房外立面呈三段式构造，铁皮坡屋顶的中央和两翼各设一座绿色弯顶，中央大弯顶上设21个雕花圆窗，弯顶四周为带有瓶形浮雕栏杆的女儿墙和挑檐。东站房建筑风格与东京站类似，呈典型的辰野式建筑风格。

沈阳站西站房整体外观为棕红色，顶棚为深灰色。候车大厅顶部为玻璃穹顶，采光良好又能隔离紫外线，具节能和美观两种功能。

沈阳站西站房，建筑面积约为5万平方米。

截至2002年10月，沈阳站候车室建筑面积为9375平方米。候车室中有效使用面积为5380平方米，横跨5个站台，全长108.75米。大厅共分4个候车室（每个候车室长68米，宽20米），在第一候车室内设336平方米的软席，其余的都是普通型，面积为5044平方米。

截至2009年4月，沈阳站候车大厅，迎面可见的是4部扶梯，两侧还设有步行梯，方便乘客通行。

沈阳站东站房共三层：乘客可通过一层大厅的实名制验票口后，乘自动扶梯和楼梯进入高架候车大厅二层候车区。旅客进入二层候车大厅后，通过两侧的自动扶梯就可以直达三层商业夹层空间，在等待候车的间歇完成购物、餐饮需求。沈阳站东站房高架候车大厅与东广场老站房之间，由长度超过10米的空中连廊相连，旅客可从东站房入口进入车站，然后通过自动扶梯上到二层，经空中连廊直接进入高架候车大厅。沈阳站车站一楼作候车室用，二楼起初曾被大和旅馆使用，设置20多间客房。

沈阳站东广场由一条7米宽的“n”型环绕通道，南、北两处机动车停车场和中央广场三部分组成。广场南、北两侧的两个大型的停车场，能够同时容纳133辆机动车停放。在广场的东南侧和东北侧各有一处进出停车场的站厅，一杆一车进出广场停车场。

沈阳站西站房共三层，一层中间是进站口，南侧是售票处。二层为高架进站送客平台。乘客进站时从一层的中门进站口进站，进入一层大厅进行安检，然后通过南北两侧的两部手扶电梯和步行楼体登上二层的高架候车大厅。由于西出口进出站模仿了飞机场候机楼的进出模式，所以送客车辆也可通过廊桥直达二楼候车大厅门前，乘客直接进站。在大厅内有多部电梯和直梯通向三层的商业夹层空间。

截至2009年4月，沈阳站西广场仿造飞机场候机楼的进出模式，送客车辆可通过廊桥直达二楼候车大厅，出站人员则走一楼。在候车大厅左右两侧设立多个检票口，同时，沈阳站还在候车大厅内设置“商铺”，乘客还可在候车的同时进行购物。

沈阳站的站台和东西站房下面有条地下市政通道，连接东、西站前广场。市民即使不乘火车也能通过捷径在和平区与铁西区间穿行。地下通道的出入口宽12米，出入口设置一部步行梯和两部电扶梯，地下通道连通东西广场与地铁口，出站旅客可由站台下到地下通道，选择东西两个方向出站或由东侧“沈阳站站”B出入口搭乘地铁。

截至2010年3月，沈阳站站场规模为10台19线。根据通行的列车规格，10个站台由东向西划分为高速区和普速区。高速区共有6个站台，10条线，用来停靠时速250公里以上的动车组列车，普速区有5个站台9车线，用来停靠时速120公里及以下的普通列车。其中第6站台为高速区和普速区共用的站台。途经线路为沈大铁路、沈山铁路、沈丹铁路、沈吉铁路、沈抚城际铁路、沈大高速铁路、沈丹高速铁路、京哈高速铁路。

截至2012年7月，沈阳站西站房南侧的一楼售票厅20个人工窗口和8台自动售票机、二楼售票厅12个人工窗口和8台自动售票机全部投入使用；出站地道内还设有2个中转补票窗口。增设的16台自动售票机中，1至4号、9至16号自动售票机提供互联网换票服务；5至8号、13至16号自动售票机提供动车全价票、现金及刷卡购票、电话订票取票服务。

截至2015年12月，沈阳站西站房进站大厅设置了占地面积520平方米全自动售取票厅，内设自动取票机15台、全功能售取票机11台、刷卡购票机3台。为了方便旅客，还设置了1台银行自动取款机，自动售取票厅可同时容纳800名旅客购、取票。

截至2009年4月，沈阳站二楼封闭的候车大厅全部打通，成为敞开式候车大厅。

截至2012年7月，沈阳站设立残疾人服务窗口。

2018年2月1日起，沈阳站增设微信扫码支付、在线选座、自动售票机发售跨局异地票等功能，旅客通过手机APP可以实现自助进站、候车、换乘、出站位置引导，餐饮引导，设施查询等信息服务。拨打车站服务热线电话或12306客服电话，可以预约轮椅、进出站、小红帽等便利服务，沈阳站按标准配齐便民餐桌、保暖坐垫、自动查询机、重点旅客服务室、无障碍售票窗口、自动售货机和ATM、手机加油站等服务设施。

2019年春运期间，沈阳站发送旅客310万人，日均发送旅客7.6万人，较2018年同期增长4.3 %。

截至2012年7月，乘坐地铁的旅客可在沈阳地铁1号线沈阳站站下车。

沈阳地铁一号线沈阳站站共有4个出入口，A出入口位于中华路路北，B出入口位于沈阳站广场，C出入口位于中华路路南、胜利南街路东，D出入口位于中华路路南；站厅层共有两个乘客服务中心，分别位于A出入口和C出入口旁；共有两台安检机，分别位于B出入口和C出入口进站方向。

截至2013年8月，出租车从东广场地面“n”形通道南侧的胜利大街与民主路路口进入广场，绕行一圈后在东站房前设置出租车乘降进站，最后由广场北侧的胜利大街中山路路口驶出。

截至2013年8月，在沈阳站东广场地面南、北两侧各设两片大型的停车场，能够同时容纳133辆机动车停放。东广场的东南侧和东北侧各设置一处进出停车场的站厅，一杆一车进出广场停车场，呈顺时针通行。

沈阳站改造后规模扩大一倍，成为包括铁路、城市轨道交通、公交等多种交通方式相衔接的现代化综合客运交通枢纽。（新华社 评）

2024年7月27日消息，根据气象部门预报，受西风槽和台风“格美”外围云系共同影响，辽宁、吉林、内蒙古部分地区将出现区域性强降雨过程，为确保旅客列车运行安全，7月27日至8月1日，部分旅客列车临时停运或调整运行区段。受此影响，沈阳站、沈阳北站、沈阳南站的有39趟始发列车停运。