駅構造
首都高速4号新宿線と国道20号（甲州街道）の地下に位置し、ホームは上り線と下り線で二層構造となっており、地下2階が上り線、地下3階が下り線である。階段は新宿寄りと幡ヶ谷寄りの2か所にあり、エスカレーターも設置している。加えて新宿寄りにはエレベーターも設置している。
京王新線建設（京王線当駅 - 笹塚駅間連続立体交差事業含む）と首都高速4号線工事が重なったことから、建設工事は首都高速道路公団（当時）に委託した[7]。当駅は首都高の高架橋（橋脚）が国道20号中央にあることから、これを避けるために上下二層構造のトンネルとなったものである[7]。
幡ヶ谷寄りの階段を上がると地下1F中央口で、改札内にトイレがある。この中央口を西向きに出ると地下自由通路があり、右に行けば甲州街道北側へ出る北口、左に行けば南側へ出る南口である。北口は新国立劇場に直結し、地下式駐輪場とも繋がっている。
新宿寄りの改札口は東口で、東京オペラシティに直結している。東口はオペラシティの営業時間に合わせて7時30分 - 23時30分まで利用可能。東口自体とオペラシティ外に通じる出口は初電 - 24時まで利用可能。中央口は地下駅化と同時に設置、東口は東京オペラシティからの要望によって設置したものである。東口新設前は、現在の中央口が開業時からの改札口となっていた。
1978年（昭和53年）10月31日、新宿駅 - 笹塚駅間複々線化に伴い、甲州街道直下の線増部（京王新線）側へホームを移設した。この際に相模原線快速・通快を新線新宿発着へ振替え、当駅も停車駅とした他、新宿駅1 - 3番線（京王線新宿駅）発着となる京王線側は幡ヶ谷駅と同様に各停含む全列車が通過となった。
その後、京王線側の旧ホームは保線資材置場、資材搬入口及びトンネルの緊急避難路や駅メンテナンス用通路としており、今でも通過する車中から見ることが可能[8]。新ホームにおける出口位置の偏りは、京王線側の旧ホームへ繋がる駅舎・コンコースを維持して京王新線側へ接続した名残である。なお、旧ホームへの通路はコンクリートで塞がれており、現在立入ることは出来ない。
地上時代は相対式ホームであった。1964年（昭和39年）6月7日より地下化、18m車6両編成対応島式ホームで各停のみ停車する駅であった。
駅ホーム脇に通風口がある。これは京王新線側へホームを移設した当初、列車接近時の風圧が問題となったため、風を逃がすために後から新設したものである。
駅入口（2018年1月）
改札口（2018年1月）
1番線ホーム（2018年1月）
2番線ホーム（2018年1月）
京王線側にあった頃の初台駅は18m級6両編成対応、京王新線側にホームを移設する前日まで各停のみ停車する駅であった。今でも通過する車中から見ることが可能。
