在来線は4面5線の地上駅。本来は4面7線のホームを持つが、5番線（6番線反対側、山陽上り待避線）、8番線（7番線反対側、山陽下り待避線）は線路の使用が休止され、前後のポイント撤去により本線から分離されており、使用できない状態になっています。

通常は、山陽本線下り列車（下関方面）は7番線、同上り列車（新山口方面）は6番線、美祢線列車は1番線を使用します。山陽本線列車の待避・折返などは2番線（元々は美祢線の予備ホーム）で対処しています。4番線はホームのない中線で、貨物列車が使用する場合があります。かつては、1番線東側の切り欠き部に0番線が存在し、美祢線に使用されていましたが、現在では線路が撤去され、ホームの手前に柵が設置されて立ち入り出来なくなっています。

山陽新幹線は内側に上下通過線を挟む2面2線の高架駅。駅設置に当たっては高架橋の側壁が最低限しか削られておらず、大部分が残っている（後に開業した上越新幹線本庄早稲田駅にも同じことが言える）。またホームそのものは16両編成対応となっているが、駅開業時点では16両編成で停車する列車は上下各1本のみで、大半の列車は4・6両編成だった（現在は8両編成のみ）ため、6両分しか屋根が設けられていません。
駅舎は新幹線口（南口）と在来線口（北口）の2つ。両改札口と在来線各ホームは跨線橋で連絡しています。

新幹線口（南口）は1999年の山陽新幹線開設時に設けられ、新幹線改札・乗り換え改札は自動改札機が設置されています。また、入口と改札階との間、改札階とホームとの間にはエレベータがあります（利用時に駅員を呼び出す方式）。

20世紀末設置の新参駅ですが、在来線が併設されるため、新岩国や新尾道といった単独駅よりは利用客は多いものの、新幹線単独では最下位独走中で、ホームは閑散としています。

在来線口（北口）の改札口から新幹線ホームへ向かう場合は、一旦在来線コンコースの跨線橋を通り抜け、新幹線口（南口）の乗り換え改札を通ることになる。そのため在来線口の改札口にはICカード簡易読取機が置かれているが、これは山陽新幹線のEX-IC利用客用で、ICOCAそのものはサービスエリア外で使えない。

下関地域鉄道部管理の直営駅です。

美祢線
山陽本線の厚狭から山陰本線の長門市までを結ぶ最西端の陰陽連絡線です。
厚狭を出た列車は山陽本線と分かれて北に進みます。単行のディーゼルカーは人家も少ない山間部を淡々と進み、旧大嶺支線の分岐駅南大嶺を過ぎて沿線の中心都市である美祢に到着します。現在もわずかに貨物列車が運行されていますが、かつては石灰石輸送の貨車が所狭しと並んでいた広い構内は現在では閑散としています。
美祢を出ると再び山間部を北上し、陰陽の境界をトンネルで越え、そのまま北に進んで山陰本線と合流し、長門市に到着します。
1970年代に全国有数の貨物取扱量を誇った石灰石輸送の収入により幹線に分類されていますが、実態としては廃止線と言われてもおかしくないほどの閑散ローカル線です。

厚狭駅プラットホーム
ホーム 路線 方向 行先 備考
在来線ホーム
1 ■美祢線 - 美祢・長門市方面 
■山陽本線 下り 下関方面 早朝の始発列車
2 ■山陽本線 上り 新山口・防府方面 待避・始発列車
下り 下関方面 始発列車
■美祢線 - 美祢・長門市方面 ごく一部のみ
3 （予備ホーム、貨物機回しなどで使用する場合がある）

6 ■山陽本線 上り 新山口・防府方面

7 ■山陽本線 下り 下関方面

新幹線ホーム
11 山陽新幹線 上り 広島・新大阪方面 
12 山陽新幹線 下り 小倉・博多方面

1番線からは美祢線方面と山陽本線下り方面への発車が、2・3番線と4番線（ホームなし）からは山陽本線上下双方と美祢線方面への発車が可能。6・7番線は山陽本線の片方向発車のみの対応。夜間滞泊が設定されている。

かつては山陽本線宇部駅 - 厚狭駅間は旅客用複線に加え、単線の貨物線が並走し計3線となっていた。この貨物線は小野田駅 - 厚狭駅間で旅客用複線を厚狭方面に向かい南側から北側へオーバークロスしていた。これは美祢線から宇部方面への貨物輸送が盛んであったためだが、現在この貨物線は廃止され、貨物列車は旅客線を走行する。このオーバークロスの遺構が現在でも残っている。この貨物線は宇部線から山陽本線下関方面に直通する旅客列車も使用していたため、貨物列車の他に旧型国電が走行する姿も見られた。