广场结构 地上一层 高架送站平台 高架候车大厅、办公区 地面 站台层、中央进站大厅 火车站台、站房进站厅，步行集散广场 地下一层 人防层、交通层 地下人防工程、铁路地下出站通道，社会车辆停车场，出租车停车场，公共商业服务区 地下二层 站厅层- 交通层 沈阳北站地铁站、 社会车辆停车场，公共商业服务区 地下三层 站台层 沈阳地铁二号线 主站房及南广场结构
1990年启用的主站房是镶有银灰色瓷砖的弧形大楼，面宽136米，高60米，建筑面积3.6万平方米，内部包括入口大厅、旅客餐厅、商场、冷饮、理发、美容、录象厅、舞厅、设备及办公用房。主站房建筑为地下2层，地上16层，其中6至14层为客房层，地下1层中厅为旅馆大堂，设独立出入口，并与地下商业城相连。客站共占地103万平方米，综合站房建筑面积6万多平方米，车站部分共3层，有4排高9.5米自动扶梯、7座高架候车室，以及6个等高列车地板站台，整体结构由铁道第三勘察设计院勘测设计。主站房东侧是3800平方米的售票厅和行李房，西边是行李领取房。站房内部配有由中国科学院声学研究所设计的客运广播系统，由20个信号源, 8个广播信道, 10 台大功率晶体管扩音机和20 个广播分区组成。
考虑到北站交通枢纽改造期间的运营问题，改造工程对既有主站房主体空间进行保留利用，只对内部公共空间做局部装修，并将站房外罩面装修，更换为白色石板和蓝色玻璃幕墙，将顶棚换为为大面积玻璃天窗提供通透视野。新建两处地下两层停车场、一处地下一层出租车停车场和一处行人地下过街通道。铺设高架送客道桥和落客平台并直接与高架候车大厅对接。南广场方面，取消地面停车，出租车和社会车辆将进入地下，将广场地面建设为人流集散和绿化景观空间，建设景观广场4.2万平方米，广场内以白麻花岗岩为广场砖 ，绿化工程面积3.6万平方米，其中南广场两侧栽种高度超过5米，胸径15厘米左右的国槐，每棵树占地面积大约为4平方米，树间距在2米左右。将原来公交枢纽位置进行调整，公交枢纽从广场内调整至北站路南侧的两块绿地内。广场两侧建设2处公交车场站，设置20条公交线路。在改造工程中，沈阳北站提高北站路通行能力。采取增加过街通道、路口渠化、优化信号、增加隔离栏、强化管理等措施提高北站路通行能力。
在改造工程完成后，沈阳北站南广场将变为五层建筑，其中包括地下三层，地面层和地上一层，其中地上一层为单向四车道高架送站平台，高架送客通道主桥全长528.75米，桥宽9米，局部宽19米，2排车道，桥梁为现浇钢筋混凝土箱梁和钢箱梁两种结构形式，最大跨度50米。送站平台可提供近100个落客车位，车辆即停即走，地面层为公共交通枢纽和人流集散空间，地下层为铁路地下出站通道，人防空间，停车场，地铁通道等。东西两侧设置两个出站口，可容纳大客流出站，室内设有接客等候区。
沈阳北站南广场工程原计划于2013年6月30日前完工，后延期至2013年7月31日前完工。沈阳北站南站房，广场于2013年8月中旬对旅客开放,提供售票取票,候车服务。
子站房
新建的子站房的车站部分楼体一共3层，采用旅客上进下出流线设计，并通过高架连廊与高架候车大厅连通，四周及棚顶周围都使用的大面积玻璃结构，使整个站房内部通透宽敞，富有空间感。 在子站房东西两个旅客地下通道与南广场的地铁间通过交换大厅实现零换乘。新建子站房建筑最高点22.08米，总面积1.36万平方米，新建雨棚3.4万平方米。内部设有4部扶梯直通3楼高架候车大厅。
高架候车大厅长192米，宽108米，面积为2.4万平方米，共有4000个座位，内部配有投币式手机加油站，可以通过多头插口给任何手机充电。大厅屋顶采用的是通透的玻璃和钢结构相结合的样式，以保证大厅采光并达到节能的效果。候车大厅左侧有A1到A14共十四个检票口，右侧有B2到B13共十二个检票口，所有检票口的前面共有五十多个黄色半米高的磁票入口机。候车大厅设有一个约50平米的母婴候车区，为需要母婴哺乳的旅客提供便利条件。
地下交通枢纽结构
在北站地下交通枢纽工程中，在地下6米至地下12米间设置出站层，将高架候车大厅2条既有出站地道通向7、8站台侧接长，然后在8站台下横向贯通，通过地道通向子站房的地下出站厅。整个出站流线将南北两侧连通，使既有的单向出站形式改为南北双向出站，极大的缩短了旅客流线。在地下14米设为换乘层，结合既有市政设施，建设了1条地下南北市政通廊，将出站后的人流输送至北广场和沈阳地铁2号线地铁站，实现车站与地铁、公交车以及出租车车站的无缝连接。地铁站临近北站行李房，为三层车站，地下一层为人防共享空间，地下二层为地铁车站站厅层，地下三层为地铁站台层。
站台结构
沈阳北站的各个站台均为国际上普遍采用的等高列车地板站台，是当时东北地区唯一采用等高列车地板站台的车站。站台采用无站台柱雨棚，由近5000吨无缝钢管吊装建成，总建筑面积5.72万平方米。顶棚设计为弧形结构，共分三部分，中间主体为空间钢管连续拱桁架结构，钢管桁架梁跨度66.5米，上挂悬索；南面59.2米；北面跨度为21米；最高点高达17米，最低点为14米。
售票窗口布局
南广场主站房一层设置32台自动售票机（可使用现金和银行卡直接购买动车组和高铁列车的普通全价车票、电话和互联网订票换票功能）以及残疾人窗口和退票窗口，二层设置27个人工售票窗口。
北广场子站房一层内有9个人工售票窗口、6台自动售票机以及6台自动取票机。自动取票机仅办理互联网购票换票业务。
站线布局
1990年，刚落成的沈阳北站站场布置为独立站台6台11线。在改造工程中，为了使不同需求的旅客活动沿站台分区进行，防止瓶颈和过度拥挤的现象，工程采取高、普速系统分场分线设计，将主站房一侧（1―4站台）设置高速车场，子站房一侧设置普速车场。在枢纽改造工程中，站台向西扩建，变成8台16线。特快列车，快速列车和普快列车的乘客使用，其中第5站台是高速车场与普速车场共用。