Der erste Bahnhof von 1866 lag an der Hamburg-Altonaer Verbindungsbahn und ist bis heute erhalten geblieben. Im Empfangsgebäude im spätklassizistischen Baustil errichtet war ein Warteraum mit Gepäckaufgabe und eine Fahrkartenausgabe untergebracht. Außer dem Hausbahnsteig gab es noch einen Inselbahnsteig. Der Name des Bahnhofs stammt von der in St. Pauli erbauten Festung „Sternschanze“. In der Bahnstation gab es auch Anlagen für den Güterverkehr für den Viehtransport und einen Kohlebahnhof. Am 15. Mai 1903 wurde einige Hundert Meter weiter ein neues Stationsgebäude eröffnet, das im Prinzip dem des Dammtorbahnhofs ähnelt aber ohne dessen Portalbaukörper. Die Eingangshalle liegt im Nordwesten und verfügt über die üblichen Abfertigungsräume. Die Bahnsteighalle wurde von dem Ingenieur Merling entworfen. Die Bahnsteighalle wurde im Zweiten Weltkrieg beschädigt, jedoch später wieder aufgebaut. 1975 wurde sie jedoch abgerissen und die Bahnsteige mit einer Überdachung versehen. Der Eingangsbereich ist aber weitgehend erhalten geblieben.