三軒茶屋駅
田園都市線
相対式ホーム2面2線を有する地下駅。駅カラーは「■レモン色」。
改札は中央改札と西改札の2か所である。西改札は2007年（平成19年）に新設されたものである。なお、自動券売機は地下一階コンコースの中央改札寄りに設置されている。
トイレは地下1階中央改札内にある。2006年（平成18年）10月頃に改良された。多機能トイレは2007年（平成19年）3月に西改札内に新設された。
エスカレーターはホームと中央改札を、エレベーターはホームと西改札を連絡している。
2013年に「昭和女子大学前」という施設案内看板がホーム駅名標に掲出された。
世田谷線
頭端式ホーム2面1線を有する地上駅。1線の線路の両側に乗車ホーム・降車ホームがそれぞれ設置されている。降車ホーム側には改札がなく、通路としても利用されている。
玉川線の廃止後、キャロットタワーの建設などを含む当駅付近の再開発までは、三軒茶屋交差点手前（現在の三茶パティオに至る連絡通路の位置）に頭端式ホーム2面1線を有していたが、再開発により移転・新築され、キャロットタワーの1階部分に設置されている。
降車ホームの西太子堂寄りに車椅子を利用する乗客のために、スロープが設置されている。