南延伸段原为规划R1线的东川路以南段。为了方便奉贤区人民出行，经 [[ 上海市 ]] 政府的协商，原本闵行区政府投资建造的区内轨交决定跨越黄浦江延伸至奉贤区。南延伸工程线路长约19.628公里，按规划要求预留继续向南延伸的条件。地下线长约7.747公里，敞开段约0.668公里，高架线约11.213公里，设地下站4座、高架站5座，另新建平庄公路车辆基地和莘庄停车场各一座。线路自东川路站以北的预留分岔引出，沿沪闵路，经闵浦二桥过江后沿沪杭公路至西渡，再经团南路折向东，过S4高速公路，至金海路向南，跨G1501 [[ 高速公路 ]] 后，沿金海路至平庄公路站。除了新建车站之外，此工程还包括东川路站的改造，在现站台两侧各添加一条 [[ 轨道 ]] ，使站台由侧式站台变为双岛式站台。其中工程总投资106.19亿元。于2014年6月30日以“西渡站—环城北路区间高架桩基工程”为名开工，于2018年12月30日建成通车。

由于5号线原线车站只能容纳4节编组车辆，考虑到南延伸段车站为6节编组 [[ 设计 ]] ，需要对原车站进行改造，以适应开通后的客流增加。既有设施改造工程包括改建5号线莘庄站、春申路站、银都路站、颛桥站、北桥站、剑川路站等6座车站，将有效站台长度从80米增加到120米。改造莘庄站站后折返线，新建莘庄停车场出入段线，以及与1号线的联络线。改造相关的供电、 [[ 通信 ]] 、通风 [[ 空调 ]] 、给排水 [[ 消防 ]] 等系统，并结合环保要求在部分区段设置隔音屏障。工程总投资2.32亿元。