Schon bald entwickelte sich die auf Straßenniveau verlaufende Bahntrasse als Verkehrshindernis. So wurde um die Jahrhundertwende damit begonnen, die Verbindungsbahn viergleisig und in erhöhter Position zu erweitern. An der Sternschanze entstand ebenfalls ein neuer Bahnhof, der am 15.5.1903 eröffnet wurde. Er erhielt zwei Bahnsteige und eine Halle, die alle vier Gleise überspannte. Der Bahnsteig an den heutigen Fernbahngleisen wurde wahrscheinlich 1968 zuletzt benutzt. Im HVV-Fahrplan Sommer '68 ist dem letzten Zug der S3 um 2.10 Uhr ab Altona eine Fußnote hinzugefügt, die auf einen Halt in Sternschanze um 2.15 Uhr verweist. Der Zugangstunnel ist heute verschlossen. Möglicherweise wird er aber reaktiviert, wenn die Erweiterungen der Messe Hamburg gegenüber auf dem ehemaligen Gelände des Autoverladebahnhof Sternschanze Gestalt annehmen. Im Juni/Juli 2003 wurden dort die letzten Gleise entfernt und der Boden für Baumaßnahmen ausgehoben. Auch das Ausziehgleis in Richtung Dammtorbahnhof am sogenannten IGA-Bahnsteig wurde entfernt. Der letzte Autozug wurde Anfang der 90er Jahre behandelt, zuletzt wurden die Gleise zum Be- und Entladen von Schaustellergerätschaften für den Hamburger Dom benutzt wie etwa das Riesenrad oder die Achterbahn. Auch nach den Neubauten der Messe soll es einen Gleisanschluss geben.

Das derzeit noch erhaltene Reiterstellwerk wird wohl in Kürze auch verschwinden.

Hinter dem Bahnsteig der S-Bahn befindet sich in Fahrtrichtung Altona ein Kehrgleis. In der Hauptverkehrszeit werden hier Verstärkerzüge ein- und ausgesetzt.