2009年，神华集团党组提出了“科学发展、再造神华，五年实现经济总量翻番”的战略部署，到2013年，神华自产煤将达到6亿吨左右，神华铁路的年运量也将达到5亿吨左右。考虑到神华逐步实施的“大铁路”“大运输”“大销售”战略，神池南站作为整个神华大动脉的 “桥头堡”，与近600公里朔黄铁路同步，尽快实施3.5亿吨以上运能的扩能改造，是神华事业发展的需要，更是保证煤炭能源安全供应、保障国家经济建设的需要。

神池南站3.5亿吨扩能改造不仅被列为国家“十一五”规划的重点工程之一，也是神华集团2011年十大重点工程之一，预算总投资7.2亿元，规划改造后将分设为上、下行两个站场。上行场扩大到24股道、下行场18股道，到发线有效长度由原来的1050米延长至现有的2800米。

2009年9月16日，朔黄铁路3.5亿吨扩能改造工程合同签字仪式举行。2010年4月15日，神池南站3.5亿吨扩能改造工程正式开工。改造工程分为下行场与上行场施工“两步走”。

下行场，从2010年4月15日开始到2011年12月29日结束，历时1年零8个月。施工人员克服了气候寒冷、有效施工期短、征地拆迁量大等诸多困难，铺轨93千米，铺单开道岔199组，敷设信号电缆476千米，完成铁路中桥2座、公路中桥2座。

上行场，从2012年1月份开始到2012年9月28日结束。施工中，工程建设人员克服149户近1万平米房屋拆迁、临时旅客站台影响、运输与施工交叉干扰等重重困难，完成站场路基土石方275.85万方，桥梁28.99延长米，正线铺轨12.17公里，站线铺轨49.44公里。

至此，历时3年的朔黄铁路3.5亿吨扩能改造神池南站工程胜利竣工。与2000年相比，相当于再建了一个神池南站，成为了中国乃至亚洲站场最长的编组车站。