Bài thơ bố cục theo diễn biến tâm trạng với ba nấc chính của tiếng hát con tàu.
Khúc hát 1: Trăn trở (Khổ 1-2) Giọng thơ vừa day dứt, vừa giục giã. Tác giả dùng thủ pháp phân thân (tách đôi minh ra) bằng cách tự vấn qua hàng loạt những câu hỏi và những câu trả lời. Những câu hỏi thì riết róng tăng cấp: Anh đi chăng? Anh có nghe? Sao chửa ra đi?... Gợi âm điệu hối thúc, giục giã lên đường. Những câu trả lời tạo thế đối lập giữa phê phán (Tàu đói những vầng trăng, đời anh nhỏ hẹp; chẳng có thơ đâu...) và mời gọi (Tâm hồn anh chờ gặp anh trên kia). Âm điệu tự phê, tự vấn này thường xuất hiện trong thơ Chế Lan Viên, tạo một độ sâu dặc biệt cho cảm hứng trữ tình.
- Khúc hát 1 (trăn trở) là sự lấy đà, chuẩn bị tâm lí, chuẩn bị trí tuệ, ý chí, khởi động cảm xúc cho con tàu tâm hồn trước giờ lăn bánh vào cuộc hành trình lớn lao và thiêng liêng.
Khúc hát 2: Hoài niệm (9 khổ giữa).
Khát vọng lên đường có cội nguồn sâu xa từ những kỉ niệm kháng chiến. Sự da diết của kỉ niệm làm sống lại hình ảnh những con người cụ thể đầy xúc động, thể hiện sự hi sinh, sự cưu mang đùm bọc của nhân dân đối với cách mạng. Nói đến nhân dân anh hùng, giọng thơ Chế Lan Viên rưng rưng từ cách xưng gọi (xưng "con", gọi "anh con", "em con", "mế"). Cách xưng gọi đó khiến quan hệ giữa tác giả và nhân dân thành tình cảm gia đình ruột rà, thắm thiết. Đằng sau cách xưng gọi, hiện ra hình ảnh anh du kích, em liên lạc, người mẹ nuôi quân... Những con người bình dị đã thầm lặng hi sinh cho kháng chiến. Điệp từ "nhớ" xoáy vào quá khứ, biểu hiện lòng biết ơn sâu nặng của tác giả đối với nhân dân - những người đã chiến đấu, chở che cho mình trong những tháng năm gian khổ.
Từ xúc cảm cụ thể, hình ảnh thơ luôn có xu hướng vươn lên khái quát, triết lí (khổ 9, 10). vẻ đẹp của loại hình ảnh này trước hết ở sự đột ngột và táo bạo. Những phép liên tưởng so sánh đã nối với nhau những hình ảnh sâu xa, gây bất ngờ mà vẫn hợp lí (nhớ em - đông về nhớ rét, tỉnh yêu ta - cánh kiến hoa vàng). Những vế so sánh giàu ấn tượng cảm giác: từ cảm giác da thịt lan tỏa (đông về nhớ rét) đến cảm giác sắc màu rực rỡ (Cánh kiến hoa vàng, chim rừng lòng trở biếc), vẻ đẹp của loại hình ảnh này còn ở chỗ đậm tính triết lí, châm ngôn, mang phong cách thơ trí tuệ Chế Lan Viên, kiểu như: "Khi ta ở chỉ là nơi đất ở - Khi ta đi đất đã hóa tâm hồn", hoặc: "Tình yêu làm đất lạ hóa quê hương". Đây là những triết lí rút ra từ những cảm xúc và hình ảnh nên không rơi vào khô khan. Triết lí lại được diễn đạt giản dị, cô đúc nên gây ấn tượng mạnh. Đó là kết quả của những chiêm nghiệm sống lâu dài, sâu sắc nên giàu sức thuyết phục, nên được một quy luật thấm thìa: trong đời sống con người, tình cảm có sức mạnh kì lạ, nó biến cái xa xôi thành gần gũi (đất lạ hóa quê hương), biến cái vô tư thành linh hồn (đất đã hóa tâm hồn).
Những kỉ niệm máu thịt cụ thể về Tây Bắc đã được tổng kết thành những nhận thức sâu sắc về sức mạnh quá khứ, sức mạnh của kháng chiến: "Ôi kháng chiến! Mười năm qua như ngọn lửa - Nghìn năm sau còn đủ sức soi đường". Hình ảnh kháng chiến hóa thành hình ảnh "ngọn lửa soi đường" kì diệu, nó đủ sức phát sáng không chỉ cho dân tộc mà cho cả mỗi người trong hiện tại và tương lai. Nó thắp sáng tâm trí và hồn tác giả, để òa ra niềm vui về với Tây Bắc và về với nhân dân: "Con gặp lại nhân dân như nai về suối cũ... Chiếc nôi ngừng bỗng gặp cánh tay đưa". Niềm hạnh phúc được về với nhân dân được diễn tả băng hàng loạt những so sánh tầng tầng lớp lớp (như nai về suối cũ - cỏ đón giêng hai - chim én gặp mùa - trẻ thơ đói lòng gặp sữa - chiếc nôi ngừng bỗng gặp cánh tay đưa). Cường độ hạnh phúc thật mạnh mẽ. Hạnh phúc nở xòe rực rỡ trong những hình ảnh lấp lánh vô tận. Tìm về với nhân dân cũng là về với hạnh phúc của chính mình.
Khúc hát 3: Lên đường (bốn khổ cuối). Giọng thơ lôi cuốn, mạnh mẽ. Khúc hát đạt tới cao trào.
Đất nước gọi ta hay lòng ta gọi? Một câu thơ hòa nhập với tiếng gọi, tiếng hát của đất nước chuyển hóa thành tiếng gọi bên trong, thành lời giục giã chính lòng mình. Tiếng hát song ca đó tạo nên lời thơ mời gọi gấp gáp (Tình em đang mong, tỉnh mẹ đang chờ - Mắt ta thềm... Mắt ta nhớ...).
Khổ kết vút lên xúc cảm lãng mạn, bay bổng. Hình ảnh con tàu với tâm hồn khao khát "uống một vầng trăng", "Mặt hồng em" gợi niềm cảm xúc đam mê ngây ngất. Tây Bắc - biểu tượng cho đất nước, nhân dân, cho cội nguồn thơ ca, là cái sân, ga, tinh, thần mà con tàu tâm hồn tác giả đã tới đích.
Sức sống lâu bền của tác phẩm không chỉ ở khát vọng lớn về với nhân dân, đất nước mà còn ở sự gặp gỡ tuyệt diệu giữa tiếng gọi của đất nước với nhu cầu tinh thần tự giác của nhà thơ (Đất nước gọi ta hay lòng ta gọi?).
Ấn tượng của bài thơ còn cho phong cách nghệ thuật độc đáo của Chế Lan Viên, thể hiện qua sự sáng tạo hệ thống hình ảnh mới lạ, biến hóa, tầng lớp cùng sự kết hợp hài hòa giữa vẻ đẹp cảm xúc và trí tuệ.
