1967年，国家批准复工计划，但因政治原因未能开工。同时，为了应付持续上升的区段列车密度，流花桥线路所于1965年升级为会让站，称流花桥站，并始发部分旅客列车。

1971年，原广州铁路局再次上报要求复工，广州新客站工程获批为大中型项目。

1972年2月，广州新客站工程复工。

1974年4月10日，广州新客站工程竣工。同月12日，车站正式投入营运，并正式定名广州站。位于大沙头的原广州站恢复名为广州东站，同时撤销原流花桥站。自此，广深铁路、京广铁路起点改为广州新客站。

1979年，为配合来往广州和香港的广九直通车恢复开行，广州站东侧新建了联检站作为出入境口岸站，办理海关、检疫、外币兑换等联检业务。同年4月4日，中断了30年的首趟广九直通车从广州站开出。

1981年，广州站增建了第四站台。

1984年9月，位于广州站西北侧的广州客车技术作业整备站竣工投产，为广州站始发的列车进行编组、检修及整备，而位于大沙头的简易客技站则撤销关闭。

2008年起，每年春运期间广州站临时改作只办理跨省长途客车服务。

截至1984年9月，广州站站场总面积12万平方米，候车室面积8504平方米，售票处面积1108平方米，行包仓面积3823平方米。广州站内部的采用园林设计，体现出岭南的特色，设计师在车站左中右三部分之间用庭园相隔，确保整个站楼内部采光和通风良好。

在建站之初，广州站一度成为广州市的新景观地标。除广州站之外，流花桥一带于1974年还建成了广交会流花路展馆（中苏友好大厦）、广州东方宾馆新馆、友谊剧院等新建筑，这一建筑群于1985年被选为“羊城新八景”之一，享有“流花玉宇”的美称。

广州站主楼有四层高，其利用了岭南传统建筑的室内庭园布置，左中右三部分有庭园相隔，车站内设有绿化景观、金鱼池和小桥，小花园里种着桄榔树和竹子。火车站主楼外立面的正中央树立了高4.5米、宽5米的大钟。

广州火车站前的广场上总计搭建了8个候车雨棚，设16个候车室，从西至东依次排列为1至16号。其中，1至5区，分车次安排西南方向旅客进入侯车；6-9区为开车前2小时快速通道；10至14区为京广、东南方向旅客进站通道；15区为老幼病残孕候车区和软席旅客侯车，会先于其他区进站侯车；带小孩、有老人的旅客可到15区侯车16区为4-24小时候车区。

广州站附近开设服装、鞋等批发市场，而广交会会场、越秀公园等地标也靠近广州站南面，由广州站步行前往需10分钟路程。省汽车客运站、市汽车客运站及流花车站在西、南方、旅客可以换乘汽车至各地。

截至目前，广州站有5座站台，其中侧式站台1座，岛式站台4座，共9个站台面，站场设股道14条，其中正线2条，到发线9条，机走线2条，其他线1条，途经的线路有广深铁路、京广铁路、广茂铁路、广佛肇城际轨道。

2024年6月，全国铁路实施三季度列车运行图后，广州站共开行营业列车76对，其中普速列车39对、高铁和城际列车37对，高铁和城际列车动车组占开行总数近一半。

广州站在售票大厅右侧设有18台自动取票机，已在互联网订票尚未取票的旅客，可在自动取票机取票。

为方便旅客及时补办临时身份证明，广州站公安制证点设在售票厅1号窗口或站前广场13号临时候车棚对面。

2000年2月12日，广州站创下了到达旅客21.9万人次的历史纪录，超1999年单日最高峰近11%。

2003年暑运，广州站发送368万人次，较同期最高发送纪录的2002年增长2.8%左右。其中，暑运首日发送46349人次，8月23日发送旅客7万余人次，创下了暑运日发送旅客的最高纪录。

2004年01月17日，广州站发送旅客19.2万人次，刷新了2002年创造的日发送旅客18.2万人次的纪录。

2008年02月14日，广州站到达旅客25万人次，创下历史新高。

2010年2月8日，广州站发送23.5万人次，刷新历史最高纪录。

2013年2月6日，广州站发送旅客18.6万人次，位居广铁集团之首。

2015年春运，广州站节前15天发送旅客221万人次，日均发送旅客14.74万人次。

2018年春运前9天，广州站累计发送旅客122.6万人。

2020年国庆小长假11天，广州站发送旅客80万人次，到达旅客72万人次。

2022年，广州站日均发送量2.4万人次。

2023年春运40天，广州站发送旅客187.5万人次。其中节前15天发送112.5万人次，同比增加1.8万次，日均发送7.5万人次，最高峰1月18日发送旅客9万人次。节后25天发送75万人次，日均发送3万人次。暑运62天累计发送298.4万。

广州地铁广州火车站位于广州火车站之下，是广州地铁2号线及广州地铁5号线的换乘车站，旅客可乘坐地铁前往广州各区。未来还将有广州地铁11号线、以及广州地铁14号线二期、广州地铁22号线接入广州火车站站。

广州火车站（草暖公园）总站位于广州火车站东侧，具体车次信息如下。

广州站最具特色的要算是站房正面两侧的“统一祖国，振兴中华”的标语。改革开放后，广州作为改革开放的前沿，是港澳台同胞和海外侨胞最早进入祖国大陆的城市，广州火车站又是祖国南方的重要门户，故在站顶设置该标语。

在多年的“春运”经历当中，广州火车站遭遇了两次客流急剧增加的大事件。

1998年春运时正逢湖南大雪，北上线路被断，广深线塌方又使得南下列车无法通行，数十万乘客滞留广州火车站广场。好在3天后线路修通得以疏散旅客。

十年之后的2008年，突如其来的“南方雪灾”使得超过50万旅客滞留广州火车站，广州火车站如汪洋人海里的一片孤舟，挺过了惊心动魄的“春运”的广州火车站不吝于经历了一场惊心大决战。

2018年11月24日，广州站入选第三批中国“20世纪建筑遗产项目”名录。

2018年，由于现有的主站厅的设计标准已经远远不能满足当下的实际客流量，广州火车站改造将正式启动，改造后可承受日均12万人次的客流量，主要运营高铁和城际动车，打造成现代化特大型枢纽，将现有的货运功能剥离来，新建货运外绕线，保留少量普速列车，其他普速列车的运营则由新建的棠溪站负责。

广州火车站改造项目涉及金额270.3亿元，主要建广清、广佛肇、广佛江珠等城际轨道引入广州站线路及站场，站台规模由4台7线扩建为10台20线。广州站将接入广清、广佛肇、广佛江珠3条城际铁路，预留接入南广、贵广高铁。

2023年，广州站至广州南站联络线项目计划开工日期2023年9月30日，计划竣工日期2027年9月30日，线路设计速度200公里/小时。

2024年1月19日，广州市规划和自然资源局官方网站挂出广州火车站及周边地区控制性详细规划征询意见公示。

2024年8月消息，《广州站站城产居一体化地区控规优化、越秀区瑶台村城市更新单元详细规划、白云区三元里村城市更新单元详细规划》由广州市规划委员会审议通过后经广州市人民政府批准正式生效，广州站地区将实现“站、城、产、居”一体化建设。