真田氏の城下町として知られる上田市の玄関口にあたる駅です。上田駅には、JR東日本の新幹線、しなの鉄道、上田電鉄の3線が入っていますが、北から順にJR、しなの鉄道、上田電鉄となります。上田の市街地は駅の北側なので、新幹線の駅がいちばん立地条件がよいことになります。なお、駅の北口を「お城口」、南口を「温泉口」と案内していますが、上田市街地の南側にどのような温泉があるのかはよくわかりません。
新幹線は相対式2面2線が高架上にあり、ホームドアが設置されています。
高架下には「みどりの窓口」のほか飲食店などが入っており、賑わっています。他の2線の乗り場とは南北の連絡通路を介して乗り換えることになりますが、連絡改札などは設けられていません。