改札口は東西自由通路に面した中央改札口1か所のみである。新幹線独自の改札口はなく、新幹線のコンコースに入るには、一度在来線コンコースを経由して乗換改札（事実上の中間改札）を通る必要がある。NewDaysは、中央コンコース内にDila小山店が設置されている。中央自由通路「さくら道」にも「VAL小山店」が設置されていたが、2019年3月31日を以て閉店した。また、小山駅構内の工事のために閉鎖していたベックスコーヒーショップが2013年3月26日に再開した。西口コンコース時代にはNewDaysはもう1店新幹線改札口付近に設置されていた。また、旧南口改札外にもNewDays（小山南店）が1店設置されていた。自動改札機は中央改札口に7組（うち中央1組はSuica専用改札）、新幹線のりかえ口に5組（うち1台は定期専用）が設置されており、すべての自動改札機でSuicaが利用可能であり、Suicaオートチャージにも対応している。Suica専用改札は2005年（平成17年）10月26日に設置された。2005年（平成17年）10月16日に、ATOS（東京圏輸送管理システム）の路線ホストの稼動が古河以北で開始され、同月18日より発車標のATOS対応がなされた。新しい市の玄関口として東口の整備が進められている。整備中であった旧東口エスカレーターは、2004年（平成16年）11月17日より供用が開始された。また、2006年（平成18年）度に自動体外式除細動器 (AED) が設置された。南口改札口は2012年9月7日をもって閉鎖された。閉鎖後も改札外の通路は南自由通路として使用されており、南口から旧東口への通り抜けや駅ビルVAL小山への出入りが可能である。改札内であった通路も宇都宮線ホーム - 水戸線ホームの乗換通路として使用されている。
地上にある4面8線のホームを使用する。両毛線の6・8番線は頭端式ホームになっており、他の在来線ホームからやや離れている。7番線は6・8番線の先にある切り欠き式のホームであるが、線路は撤去され案内表記もなくなっており、事実上の欠番となっている。9番線は宇都宮方で両毛線8番線にもつながっている。また、11・14番線は貨物列車などの待避線となっている。宇都宮線ホームには各ホーム1台ずつ計2台のSuica専用グリーン券自動券売機が設置されている。駅を中心とした東西南北方向にそれぞれ多数の留置線を持つが、駅の北側にある北部電留線は両毛線の入れ替え車両が定期的に出入りし、東側にある東1～5番線も臨時列車や回送列車、貨物列車の待避等に利用されている一方、6番線の西側にある中部電留線は使用停止となっており、架線が外され分岐器も固定されている。また、南側にある南部材料線と水戸材料線はモーターカー等の保守用車の基地線となっており営業列車の入線はない。ホーム上の店舗として宇都宮線上りホームに立食いそば店がある。水戸線ホーム・両毛線ホームの立食いそば店は2015年3月31日をもって営業終了となった。また、以前は宇都宮線下り・上りホームと両毛線ホームにKIOSKがあったが撤去されている。
高架上にある単式ホーム1面1線と島式ホーム1面2線を使用する。ホームは副本線にあり、中央の2線（2・3番線）は通過線となっている。これは、東北新幹線の小山実験線の一部として早期に建設されたものである。上り列車は原則4番線を使用しており、5番線は小山新幹線車両センターへ出入りする回送列車の発着に使われている。ホーム上に待合室はない。待合室はコンコース、下り線の階段わきにある。実験線基地の名残として当駅北方に小山新幹線車両センターがある。基地から出る運用として、朝6時台に当駅始発の東京行「なすの」が1本設定されている。一方、当駅終点の列車は設定されていない。
スプライソソームは、真核生物のpre-mRNAの成熟に不可欠な段階であるスプライシングを触媒する。スプライシングの誤りは、たとえ1ヌクレオチドであっても細胞にとって壊滅的な影響を与えるため、RNAのプロセシングが高い信頼性で繰り返し行われることが細胞の生存には必要である。スプライソソームは、5つのsnRNA (U1、U2、U4、U5、U6) と150以上のタンパク質から構成される巨大なタンパク質-RNA複合体である。snRNAは、その結合タンパク質とともにsnRNPを形成し、pre-mRNA基質の特定の配列に結合する。スプライソソームによるスプライシングの複雑な過程は2段階のエステル交換反応によって行われ、遊離したラリアット (投げ縄) 構造のイントロンを作り出されるとともに、2つのエクソンがライゲーションされて成熟mRNAが形成される。スプライソソームには2つのクラスが存在する。主要なクラスであるメジャースプライソソーム (major spliceosome) は、真核細胞でははるかに豊富に存在し、主にU2型イントロンのスプライシングを行う。スプライシングの最初の段階は、U1 snRNPとその結合タンパク質のhnRNAの5’スプライス部位への結合である。これによって commitment complex が作り出され、hnRNAがスプライシング経路へ拘束される。そして、U2 snRNPがスプライソソーム結合部位へ呼び寄せられてA複合体 (complex A) が形成され、その後U4/U6.U5 tri-snRNP複合体がA複合体に結合し、B複合体 (complex B) として知られる構造を形成する。複合体の再構成の後、C複合体 (complex C) が形成されてスプライソソームは触媒活性を有するようになる。触媒活性を有するスプライソソームのU2とU6 snRNAはフォールディングし、catalytic triplex と呼ばれる保存された構造を形成する。この構造には2つのマグネシウムイオンが配位し、スプライソソームの活性部位が形成される。これはリボザイムの一例である。この主要なスプライソソーム複合体に加えて、非常にまれな (~1%) マイナースプライソソーム (minor spliceosome) が存在する。この複合体は、U11、U12、U4atac、U6atac、U5 snRNP から構成される。これらのsnRNPは、メジャースプライソソームで用いられるsnRNPの機能的アナログである。マイナースプライソソームはU12型イントロンのスプライシングを行う。2種類のイントロンは、主にスプライシングの部位が異なる。U2型のイントロンは5'と3'のスプライス部位にGT-AGという配列を持つが、U12型のイントロンはAT-ACという配列を持つ。マイナースプライソソームは、メジャースプライソソームとは異なる経路でその機能を果たす。