太原南站主站房为地上2层（局部3层）、地下1层的框架结构。屋盖结构采用伞状桁架结构+X形钢柱的结构体系，不仅与建筑形态吻合，而且结构受力合理，具有一定的独特性。大跨度高架层和商业夹层采用钢桁架结构，具有良好的经济性和抗震性能。站台层为线侧结构，采用经济合理的预应力混凝土楼盖结构，结构构件布置均匀，截面选用合理，增加了出站厅的净高，体现了混凝土楼盖结构的美观。X形钢管混凝土柱与预应力混凝土梁节点中采用合理的结构措施，确保节点安全。整体分析和对复杂结构构件和节点进行非线性有限元分析表明，结构具有良好的安全性和经济性。