虹桥火车站是上海轨道交通2号线和轨道交通10号线的换乘站，位于上海虹桥综合交通枢纽、高速铁路虹桥站及规划中的磁浮虹桥站西侧。上海轨道交通5号线北延伸(规划)、轨道交通17号线(在建)、轨道交通20号线也会经过本站，成为五线换乘站。

虹桥火车站2号线、10号线和规划17号线位于同一层面，共有三个岛式站台，其中2号线和17号线为双岛式同站台换乘站，10号线则使用另一个岛式站台。在17号线开建前，17号线线轨道部分暂时被填埋支撑，用于2号线站台。本站与另外两个西延伸段二期车站均装上屏蔽门，亦是第二批二号线装上屏蔽门的新车站。