N700S系新幹線「かもめ」	787系「リレーかもめ」
885系「リレーかもめ」	新幹線ホームと在来線ホームが対面乗換

駅構造

• 直営駅で、みどりの窓口・自動券売機が設置されている。（みどりの窓口は新幹線開業後新幹線改札側に移転し、従来の在来線改札口横のみどりの窓口は廃止された。）
• 構内には北口の「楼門口(ろうもんぐち)」(在来線駅舎)側にワーキングスペースを備えた武雄市観光案内所のほかカフェ店(駅弁店)の「カイロ堂」と在来線改札横にキヨスクが、南口の「御船山口(みふねやまぐち)」(新幹線駅舎）側にTSUTAYA・武雄市が運営するカフェや物産店を併設した書店「武雄 旅 書店」が設けられている。またイベントなどに利用可能な駅前広場が南口(御船山口)に整備されている。
• 在来線側ホームは単式ホーム1面1線(1番のりば)と島式ホーム1面2線（2番・10番(旧3番)のりば）、新幹線ホームは在来線(10番のりば)と共用の島式ホーム1面1線(11番のりば)と単式ホーム1面1線(12番のりば)の、合計4面5線のホームを持つ高架駅。駅舎構造的には新幹線駅舎と従来の在来線駅舎は隣接して一体運用されているものの、それぞれ独立した建物となっていて両駅舎のコンコースを連絡通路を介して往来する。
• 11番のりばの新鳥栖方は電留線となっており、2022年9月時点では一部列車の折り返し準備作業に用いられている。
• 改札は「在来線改札口」(1・2番のりば)と「新幹線・リレー特急改札口」(10・11・12番のりば)の2つが設置されている。改札内に在来線と新幹線の乗り換え改札は設置されていない(乗り換える場合は一旦それぞれの改札を出る必要がある)。 なお、新幹線・リレー特急改札口には自動改札が設置され、在来線改札口は有人改札となっている。
• エレベーターは各ホームに設置されている。エスカレーターは新幹線側は各ホームに、在来線側は2番のりばホームに上り専用のみが設置されている。
• 「リレーかもめ」「みどり（リレーかもめ）」「ハウステンボス（リレーかもめ）」を除く在来線の大半の列車は2番のりばを使用する。定期列車においては1番のりばは主に行き違いがある場合の一部の特急・普通列車や当駅始発・終着の観光特急「ふたつ星4047」のみ使用する。
• 在来線の島式ホームの南側の1線(旧3番のりば・現10番のりば)は新幹線ホームの設置工事開始時から供用停止となり、在来線改札口から入場する場合は事実上相対式ホーム2面2線となった。
• 新幹線側ホームは、島式ホームは在来線との乗り換え利便性を図るため、供用停止となった旧3番のりばの線路との新在共用の島式ホームとなり、「リレーかもめ」「みどり（リレーかもめ）」「ハウステンボス（リレーかもめ）」の専用ホームとなる10番のりば(旧3番)と、新幹線の発着する11番のりばで対面乗り換えができるような構造となっている。
• 当駅発着の定期新幹線列車は現状、すべて「リレーかもめ」「みどり（リレーかもめ）」「ハウステンボス（リレーかもめ）」のいずれかと接続(対面乗り換え)する前提のダイヤとなっており、すべての定期新幹線列車は11番のりばから発着する。12番のりばは異常時などの予備として使用される。但し、今後これらの特急に接続しない新幹線列車が設定された場合は12番ホームを使用する場合があるとされている。
• また、在来線特急列車においては、西九州新幹線「かもめ」号へのリレー接続専用の特急「リレーかもめ」号（当駅始発・終着）はすべて10番のりばからの発着となる。
• リレーかもめ号とは別に、新幹線開業前から当駅を発着する博多 - 佐世保方面間の特急「みどり」号・「ハウステンボス」号（通常は博多 - 早岐間でみどり号と併結運転)に新幹線リレー接続の設定を持たせた「みどり（リレーかもめ）」号・「ハウステンボス（リレーかもめ）」号が発着し当列車は10番のりばからの発着となる。
• （上記「みどり(リレーかもめ)・ハウステンボス(リレーかもめ)」」は下り列車は博多方面から運行し長崎方面ゆきの新幹線へ接続後、佐世保方面へ運行。上りは佐世保方面から運行し当駅止まりの新幹線と接続後、博多方面へ運行。）
• リレー接続の設定のない通常の特急「みどり」号・「ハウステンボス」号は従来通り在来線2番のりばからの発着となる。なお、10番のりば（旧3番のりば）には供用停止時点で在来線ホーム側に柵が設けられ、在来線改札側からは「リレーかもめ」「みどり（リレーかもめ）」「ハウステンボス（リレーかもめ）」へ乗降できない構造となっているため新幹線および「リレーかもめ」「みどり（リレーかもめ）」「ハウステンボス（リレーかもめ）」と在来線間の乗換には注意が必要となる。

キハ40形「ふたつ星4047」	エスカレーター

のりば

歴史

• 1895年（明治28年）5月5日：九州鉄道（初代）長崎線の武雄駅（たけおえき）として開業。当初は終着駅であった。
• 1897年（明治30年）7月10日：長崎線が早岐駅まで延長。
• 1898年（明治31年）11月27日：鳥栖駅 - 早岐駅 - 長崎駅（現・浦上駅）間の長崎線が全通（現在の長崎駅まで路線が伸びたのは1905年（明治38年））。
• 1907年（明治40年）7月1日：九州鉄道が国有化される。
• 1909年（明治42年）10月12日：線路名称制定により、長崎本線の駅となる。
• 1934年（昭和9年）12月1日：長崎本線が肥前鹿島駅経由に変更されたのに伴い、佐世保線の駅となる。
• 1975年（昭和50年）6月19日：武雄温泉駅（たけおおんせんえき）に改称、橋上駅化。
• 1976年（昭和51年）7月1日：佐世保線電化開業。
• 1979年（昭和54年）4月16日：みどりの窓口開設。
• 1982年（昭和57年）11月15日：貨物取扱廃止。
• 1984年（昭和59年）2月1日：普通列車の全列車が電車に。
• 1985年（昭和60年）3月14日：自動券売機設置。駅構内一部禁煙化。荷物扱い廃止。
• 1986年（昭和61年）
  • 10月14日：オレンジカードの取扱開始。
  • 11月1日：寝台特急「さくら」号停車。
• 1987年（昭和62年）4月1日：国鉄分割民営化により、九州旅客鉄道（JR九州）の駅となる。
• 1989年（平成4年）7月15日：駅構内喫煙コーナー以外を全面禁煙化。
• 2008年（平成20年）2月17日：高架化。2・3番のりばの島式1面2線が先行開業。
• 2009年（平成21年）12月5日：1番のりばホーム竣工し高架駅完全開業。
• 2022年（令和4年）9月23日：西九州新幹線の当駅 - 長崎駅間が部分開業。
• 2024年（令和6年）度：佐世保線でICカード「SUGOCA」の利用が可能となる（予定）。