三级三场编组站始建于1973年9月，其建立是为了配合
焦柳铁路的建设。
1974年12月，
中铁二院提出了两个设计方案：第一个是在已建成的
柳州南站东侧建造一个新的二级二场编组站；第二个是在现有的三级三场编组站前方扩建为二级四场，并推荐采用第一个方案。1975年5月，
中国铁路南宁局集团有限公司以铁二院提出的二级四场方案为基础，向铁道部提交了将柳州南编组站扩建为三级三场和枝柳铁路引入的意见。1976年，铁道部批准由柳州铁路局进行初步设计。1977年11月，柳州铁路局提交了二级四场和三级三场两个方案，并推荐采用纵列式三级三场机械化驼峰编组站方案。1978年4月，铁道部批准了这个方案。1980年5月，柳州铁路局完成了
柳州南站扩建总图的技术设计。
1980年7月，柳州南三级三场编组站扩建工程正式开工。为了确保运输和施工两方面的工作不受影响，整个工程被分为三个阶段实施。第一期工程于1980年7月至1985年12月期间进行，主要包括新建外包线、到达场、编组场、
柳州站联络线以及
柳州东站引入线等，并在编组场1-8道推广试用了7501缓行器。第二期工程于1986年1月至12月期间进行，涉及新建出发场、到达场东一联络线、东三联络线以及改建湘桂正线、Ⅱ、Ⅲ线和出发场至机务段出入线等工程。第三期工程于1987年1月至12月期间进行，包括新建到达场东二联络线、机车走行线、交接线、西联络线以及改建编组场和车辆段出入线等工程。由于柳州南三级三场编组站扩建工程的特点，即范围广泛、项目众多、工期紧张、工程复杂以及运输与施工之间的相互干扰，所以在组织施工时采取了一系列措施，包括加强组织领导、提前安排其他
区段站承担部分解编任务、推行先进的施工管理方法等。这些措施旨在确保施工顺利进行，同时保证工程质量。到1987年末，
柳州南站扩建工程基本完成，分期分批交付使用。工程质量达到一次性验收合格率为100%，优良率为95%。完成的主要工程量包括土石方136.59万立方米，桥梁（含
浏城桥）402米，涵洞1734米，铺设轨道84.84公里，铺设道岔311组，修建500吨水塔1座，铺设给水管路10379米，房屋建筑面积32209平方米，以及其他电力、通信、信号等相关工程。总投资额为6962万元。1988年至1990年5月期间，继续进行了包括峰尾电气集中在内的信号工程，投资额为1018万元，累计完成的投资总额达到了7980万元，超过了铁道部1988年核准的包干概算7797万元，再加上后来增加的峰尾电气集中的信号工程费用120万元，总计为7917万元的100.8%。此外，铁道部运输总局还拨款200万元用于安装目的制动自动化调速设备的科技试验项目。
1990年4月，随着目的制动自动化调速系统的投入使用，扩建后的
柳州南站站型转变为纵列式三级三场半自动化驼峰。站线共有60股道，其中包括到达场14股（含正线4股）、编组场32股（含正线1股）、出发场14股。此外，还有车场间联络线6条，
机车走行线和机车出入库线各2条，加冰线和
洗消线各1条。
驼峰推送线2条，溜放线2条，能够满足双推单溜作业需求。牵出线3条，可以满足3台调车机的解编和转场作业。峰顶平台两侧设有禁溜线各1股，能容纳禁溜车14辆。同时还采用了雷达测速、音频测长、峰尾电气集中、调车作业单微机传输、车辆减速器和可锁闭式加减速顶等新技术设备。
正线及枢纽各衔接方向进站引入线的坡度为6‰，
柳州东站引入线的坡度为12‰，迂回线的坡度为29‰，驼峰加速坡度为40‰。
正线和枢纽各衔接方向进站引入线采用的是50公斤/米的钢轨，到发线和其他线路则采用的是43公斤/米的旧轨。正线采用的是50公斤/米的新道岔，各车场及其他线路采用的是43公斤/米的道岔。编组场和尾部采用的是43公斤/米的1/6对称道岔。
考虑到原
柳州南站场轨顶标高为91.77米，受到竹鹅溪无枕梁构造高度限制，实际的设计标高为92.45米，低于铁道部《标准轨距铁路设计技术规范》的要求约1米。为了避免提升标高导致
柳江大桥和车站建筑物的改建，线路设计的原则是以轨顶标高不低于
柳州站南端咽喉轨顶高度为准。