สถานีกลางบางซื่อ ออกแบบให้เป็นอาคารผู้โดยสารขนาดใหญ่ ความสูง 4 ชั้น พื้นที่รวม 274,192 ตารางเมตร มีชานชาลาทั้งหมด 12 เกาะ 24 ชานชาลา ความยาว 596.6 เมตร รองรับขบวนรถไฟและรถไฟฟ้าได้พร้อมกันถึง 26-40 ขบวนในคราวเดียว ตัวอาคารแบ่งพื้นที่ออกเป็นสองส่วนหลัก ๆ ได้แก่ส่วนบริการผู้โดยสารซึ่งอยู่ทางทิศตะวันออกของสถานี ส่วนบริการรถไฟซึ่งอยู่ทางทิศตะวันตกของสถานี

ส่วนบริการผู้โดยสารจะมีพื้นที่ทั้งหมด 4 ชั้น ประกอบด้วย ชั้นใต้ดิน เป็นลานจอดรถ 1,100 คัน รองรับการจอดรถทั้งระยะสั้นและระยะยาว ชั้น 1 เป็นโถงต้อนรับผู้โดยสารทั้งขาขึ้นและขาล่อง ในชั้นนี้ยังมีจุดจำหน่ายบัตรโดยสารของขบวนรถทางไกลให้บริการ และยังมีศูนย์อาหารพื้นที่ 7,740 ตารางเมตร และร้านค้าให้บริการ ชั้น 2 เป็นพื้นที่ร้านค้า และจุดบริการผู้โดยสาร โดยมีทางเชื่อมระหว่างอาคารโถงหลัก กับอาคารโถงรองให้สามารถเดินข้ามฝั่งกันได้ และชั้น 3 เป็นพื้นที่รองรับแขกวีไอพี และยังเป็นสำนักงานให้เช่าของผู้ให้บริการรถไฟฟ้าความเร็วสูง รวมถึงเป็นสำนักงานและศูนย์ควบคุมการเดินรถของสายสีแดง สำนักงานย่อยของการรถไฟแห่งประเทศไทย และสำนักงานของผู้ดูแลและบริหารสถานี

ส่วนบริการรถไฟจะมีพื้นที่ทั้งหมด 4 ชั้นเช่นกัน ประกอบไปด้วยชั้นใต้ดิน เป็นพื้นที่เชื่อมต่อกับสถานีบางซื่อ ของรถไฟฟ้าสายสีน้ำเงิน ชั้น 1 เป็นพื้นที่จำหน่ายบัตรโดยสารและพื้นที่ตรวจบัตรโดยสารของรถไฟฟ้าสายสีแดง รถไฟฟ้าแอร์พอร์ต เรล ลิงก์ และรถไฟฟ้าความเร็วสูง รวมถึงยังเป็นโถงพักคอยของผู้โดยสารทุกระบบ และมีจุดจำหน่ายบัตรโดยสารของขบวนรถทางไกลให้บริการ ชั้น 2 เป็นชั้นชานชาลาของรถไฟทางกว้าง 1 เมตร ประกอบไปด้วยชานชาลาของรถไฟฟ้าชานเมืองสายสีแดง 2 เกาะ 4 ชานชาลา ซึ่งแยกทางขึ้นต่างหากจากรถไฟทางไกล และชานชาลาของขบวนรถไฟทางไกล 4 เกาะ 8 ชานชาลา ซึ่งสามารถขึ้นได้จากบริเวณโถงพักคอยผู้โดยสารรถทางไกล ที่อยู่ทางทิศเหนือของสถานี ชั้น 3 เป็นชั้นชานชาลาของรถไฟทางกว้าง 1.435 เมตร ประกอบไปด้วยชานชาลาของรถไฟฟ้าแอร์พอร์ต เรล ลิงก์ และรถไฟความเร็วสูงเชื่อม 3 สนามบิน 1 เกาะ 2 ชานชาลา ที่จะแยกโซนขาดจากกัน ชานชาลาของรถไฟความเร็วสูงสายอีสาน 2 เกาะ 4 ชานชาลา รถไฟความเร็วสูงสายเหนือ 1 เกาะ 2 ชานชาลา และรถไฟความเร็วสูงสายใต้ 2 เกาะ 4 ชานชาลา ซึ่งทุกชานชาลายกเว้นชานชาลาของรถไฟฟ้าแอร์พอร์ต เรล ลิงก์ สามารถเดินเชื่อมถึงกันได้จากทางเชื่อมบริเวณทิศใต้ของสถานี

แต่ด้วยกายภาพของสถานีที่มีระบบปรับอากาศเพียงแค่ชั้น 1 ชั้นเดียว การปล่อยผู้โดยสารขึ้นชานชาลา จะใช้วิธีการให้ขบวนรถเทียบชานชาลาแล้วปล่อยผู้โดยสารขาเข้าลงให้เรียบร้อยก่อน จากนั้นถึงเรียกผู้โดยสารขาออกจากชั้น 1 ขึ้นสู่ชานชาลาที่กำหนด เมื่อผู้โดยสารขึ้นหมดแล้ว จะปล่อยขบวนรถออกจากสถานีทันทีโดยไม่มีการจอดพักคอยผู้โดยสารเพิ่มเติม โดยที่วิธีการดังกล่าว จะถูกใช้สำหรับรถไฟทางไกล และรถไฟความเร็วสูงทั้งหมด ยกเว้นรถไฟฟ้าชานเมืองสายสีแดง ที่อนุญาตให้ผู้โดยสารขึ้นไปรอขบวนรถที่ชานชาลา เนื่องจากเป็นระบบเดียวที่มีความถี่การเดินรถสูง

นอกจากนี้ ร.ฟ.ท. จะปรับปรุงสถานีชุมทางบางซื่อเดิมไว้ให้บริการเป็นชานชาลาที่ 25-28 ของสถานีกลางบางซื่อ โดยชานชาลาดังกล่าวมีไว้สำหรับขบวนรถทางไกลแบบดีเซล รถไฟชั้น 3 รวมถึงรถไฟทุกขบวนที่มาจากหรือมุ่งหน้าไปสถานีกรุงเทพ (หัวลำโพง) เนื่องจากขบวนรถดังกล่าวยังไม่ได้รับอนุญาตให้ขึ้นอาคารหลักในช่วงที่สายสีแดงเปิดทำการ เพราะต้องรอการเปลี่ยนหัวลากให้รองรับระบบไฟฟ้า หรือปรับตู้จ่ายไฟฟ้าให้เป็นแบบใหม่เสียก่อน กระบวนการดังกล่าวจะใช้เวลาไม่เกิน พ.ศ. 2570 ถึงจะสามารถอนุญาตให้รถทุกขบวนขึ้นอาคารหลักได้ทั้งหมด

ชานชาลา

รายชื่อชานชาลาและสายและจุดหมายสำคัญของแต่ละสายของการรถไฟแห่งประเทศไทย