Der U-Bahnhof Hauptbahnhof der Linien U4 und U5 liegt unter der Bayerstraße südlich des Hauptbahnhofes. Er wurde komplett in Eigenregie des U-Bahn-Referates erstellt.
Der Planungsname dieses Bahnhofs war "Hauptbahnhof Süd". Heute trägt er den selben Name wie sein Pendant der Linien U1/U2, zur Unterscheidung wird er jedoch intern als "Hauptbahnhof (oben)" geführt, da seine Bahnsteige über denen der älteren Strecke liegen.
Er ist am östlichen Ende über ein Zwischengeschoss mit dem darunterliegenden viergleisigen Bahnhof der U1 und U2 verbunden, ebenso gelangt man über Treppen ins Sperrengeschoss unter dem Bahnhofplatz.
Am westlichen Ende befindet sich ein Aufgang zum Sperrengeschoss, über das der Südeingang des Hauptbahnhofs erreicht werden kann, hier existiert auch ein Lift, mit dem das Sperrengeschoss erreicht werden kann.
Gestalterisch nehmen die silbernen Wände Referenz zum U1/U2-Bahnhof, jedoch sind sie hier tunnelartig nach innen gebogen, um wie die anderen Innenstadt-Bahnhöfe der U4/U5 den runden Tunnelcharakter zu verstärken.
Die Beleuchtung ist quadratisch zwischen den Aussteifungsstreben der Zwischendecke eingefasst. Der stützenlose Bahnsteig liegt in einer leichten Kurve, was ihn in den Endabschnitten, in denen breite Treppen den meisten Platz am Bahnsteig einnehmen, unübersichtlich macht.
Um die insbesondere in den Hauptverkehrszeiten häufig überlasteten Zugänge zu entzerren, gibt es Überlegungen, einen weiteren Zugang aus dem Sperrengeschoss unter dem Bahnhofplatz über die bisher ungenutzten Bereiche der Zwischendecke zu führen und über eine Treppe in Bahnsteigmitte in den U-Bahnhof münden zu lassen.
Das Sperrengeschoss unter der Bahnhofplatz wurde in den Jahren 2012 bis 2014 komplett renoviert und dabei grundlegend umgestaltet. Die Ladenpassagen wurden dabei an die Seiten des Bauwerks verschoben und die Verkehrsflächen in der Mitte klarer strukturiert. Die helle Gestaltung der neuen Verteilerebene hebt sich dabei vom deutlich dunkleren Grau der ursprünglichen Gestaltung ab.