Der Bahnhof Neugraben ist seit 1984 Endpunkt der Hamburger S-Bahn-Linie 3 (sowie in der Hauptverkehrszeit auch der Linie S31). Der Bahnhof wurde vor Einrichtung des S-Bahn-Verkehrs gänzlich umgebaut und zeigt sich heute in schmucklosem Betondesign der 70er und 80er Jahre. Dem S-Bahn-Verkehr dienen die Gleise 1 und 2, für den DB-Regionalverkehr stehen die Gleise 3, 4 und 5 zur Verfügung. im Anschluß an die S-Bahn-Gleise folgt in Richtung Stade eine 4-gleisige S-Bahn-Abstellanlage, die im Rahmen der S-Bahn-Erweiterung erhebliche Umbau-Maßnahmen erfahren wird - hier wird die System-Wechselstelle von 1200 V Gleichstrom auf 15.000 Volt Wechselstrom entstehen, auf der die Züge während der Fahrt den einen Stromabnehmer einziehen und den anderen ausfahren. Dieser Systemwechsel soll zweigleisig ausgeführt werden. Auf einem kurzen, völlig stromlosen Abschnitt müssen die S-Bahn-Züge aus eigener Kraft rollen. Dieser Abschnitt soll daher in leichtem Gefälle ausgeführt werden. Wenn diese Anlage in Betrieb geht, werden die bisherigen Regionalbahngleise im Bahnhof Neugraben erheblich an Bedeutung verlieren. Bislang enden und beginnen Regionalbahnen an Gleis 3 mit bahnsteiggleichem Übergang zur S-Bahn. Durchgehende Züge von und nach Harburg oder Hamburg Hbf verkehren hingegen häufig aus den Gleisen 4 (stadteinwärts) oder 5 (stadtauswärts).

Die folgenden Bilder zeigen den Bahnhof Neugraben im Jahr 2005.

Seit Ende Juni 2007 wird in Neugraben Gleis 3 umgebaut. Geplant ist, ab Dezember 2007 über dieses Gleis den S-Bahn-Verkehr in Richtung Stade abzuwickeln. Hierzu müssen die Oberleitung entfernt, neue Gleise verlegt und mit Stromschiene versehen und die Bahnsteigkante von 76cm auf 96 cm erhöht werden. Zudem werden bereits seit einigen Wochen vorbereitete Gleisplanänderungen durchgeführt: Aus Richtung Harburg ist Gleis 3 zukünftig von der S-Bahn-Strecke und nicht mehr von den “Fernbahngleisen” erreichbar. In Richtung Stade geht Gleis 3 in die neue Systemwechselstelle auf dem Gelände des ehemaligen Regionalbahn-Abstellgleises über und schließt erst danach an die “Fernbahngleise” an. Auch die Signalisierung wurde geändert. An der Gleis 3-Ausfahrt Richtung Stade wird vermutlich Hamburgs letztes neues Sv-Signal aufgestellt.