Die Verlegung des Fern- und Regionalbahnhofs Hamburg-Altona soll besonders umweltschonend durchgeführt werden. Es sind verschiedene Schutzmaßnahmen vorgesehen, um negative Auswirkungen auf die Umwelt zu vermeiden oder möglichst gering zu halten. So werden bereits während der Bauzeit unter anderem Schutzmaßnahmen an Bäumen ergriffen. Sie dienen dazu, die Stämme und den Wurzelbereich vor Schäden durch die Baumaßnahme zu bewahren. Um Vögel und Amphibien während ihrer Brut- oder Wanderzeit nicht zu stören, erfolgt die Räumung von Bauflächen außerhalb dieser Zeit.
Zusätzlich wurde für den Schutz der im Vorhabenbereich befindlichen Amphibien ein Ersatzgewässer geschaffen und ein Zaun um Baustraßen gestellt. So kommen dort keine Tiere zu Schaden. In den Zeiten ihrer Wanderung werden die Tiere schonend in Eimern aufgefangen und zweimal täglich durch einen Biologen in das Ersatzgewässer gebracht. Auch nach dem Bau sollen alle negativen Eingriffe in die Natur durch den Bahnhof vermieden werden. Alle Eingriffe in die Natur, die durch ein so großes Infrastrukturprojekt nicht vermieden werden können, werden an anderer Stelle ausgeglichen.
Daher erhält beispielsweise die Lärmschutzwand im Bereich des ehemaligen Posttrogs alle fünf Meter Kleintierdurchlässe im Sockel, um den Amphibien den Zugang zu dem Ersatzgewässer weiterhin zu ermöglichen. Bauzeitlich genutzte Flächen versetzt die Bahn anschließend wieder in ihren Ursprungszustand. Auch die Dächer der neuen Bahngebäude werden umfassend begrünt, um die Entwicklung von artenreicher Vegetation wie seltener Magerrasen zu ermöglichen. Die Dachbegrünung dient nebenbei auch zur Drosselung des Regenwasserabflusses und der Verbesserung des Mikroklimas der Gebäude.
Bei den vorbereitenden Baumaßnahmen werden voraussichtlich 42 Einzelbäume gefällt werden müssen, die durch die Pflanzung von 91 Einzelbäumen kompensiert werden. Die Kompensation erfolgt mit 29 Bäumen unmittelbar im Vorhabengebiet und mit 62 Bäumen auf der Ausgleichs- und Ersatzmaßnahme im Bereich der Stadt Wedel. Zusätzlich hat sich die DB Netz AG im Zuge der Verständigung mit der Stadt Hamburg und dem Verkehrsclub Deutschland verpflichtet, den Ausgleich zu verdoppeln.
Alle weiteren Gehölzbestände sind flächenhaft betrachtet worden, da im Verfahren die naturschutzrechtliche Eingriffsregelung maßgeblich ist. Die Gehölze sind als flächige Biotope mit dem entsprechenden Wert erfasst und werden gemäß den gesetzlichen Vorgaben wie folgt kompensiert. Es entsteht artenreiches Grünland auf einer Fläche von über 45.000 Quadratmeter sowie 5.000 Quadratmeter Rasen und Trockenrasen, das entspricht insgesamt einer Größe von etwa als sieben Fußballfeldern. Auf ca. 3.700 Quadratmeter werden niedrig wachsende Sträucher und Gehölze gepflanzt. In Gleisnähe und auf Böschungen werden auf rund 7.100 Quadratmeter Gräser und Wildblumen angesät. Für Brutvögel entstehen Gewässer und Tümpel mit einer Gesamtfläche von ca. 1.750 Quadratmeter.
Am Standort des heutigen Bahnhofs erhalten ca. 1.200 Anwohner einen besseren Schallschutz durch den Entfall des Regional- und Fernverkehrs. Die Eingleisbrücke („Quietschkurve“) zwischen Holstenstraße und dem heutigen Fernbahnhof, von der eine erhebliche Schallemission ausgeht, entfällt.
Auch am neuen Standort Diebsteich kommt es zu Verbesserungen für rund 800 Anwohner: Für 374 Schutzfälle wird die Belastung durch 2,6 Kilometer Schallschutzwände sowie Schienenstegdämpfer und für 389 Schutzfälle durch passive Schallschutzmaßnahmen (Schallschutzfenster oder ähnlich) verbessert.
Basis für die Lärmvorsorge am neuen Standort sind die gesetzlichen Bestimmungen des Bundes-Immissionsschutzgesetzes (BImSchG). Darin sind Regeln zur Lärmvermeidung bei Neubauten und wesentlichen Veränderungen von Verkehrswegen sowie verbindliche Grenzwerte festgeschrieben. Im Rahmen des Planfeststellungsverfahrens wurden von einem unabhängigen Gutachter schalltechnische Untersuchungen durchgeführt. Aus der Höhe der Schallbelastung und den örtlichen Gegebenheiten wurden die konkreten Schallschutzmaßnahmen abgeleitet.
Den rechtlichen Rahmen für die Umweltschutz-Maßnahmen im Projekt geben die Vorschriften des Bundesnaturschutzgesetzes und des Umwelt-Leitfadens des Eisenbahn-Bundesamts (EBA) sowie weitere Gesetze und Richtlinien vor. Um sicher zu stellen, dass alle Umweltbelange berücksichtigt werden, wurde zu Beginn des Bauvorhabens von einem unabhängigen Gutachter eine gesetzlich geregelte Umweltverträglichkeitsstudie (UVS) erstellt. Aufgabe der UVS ist es, die Auswirkungen eines geplanten Vorhabens auf Menschen, Tiere, Umwelt und Natur umfassend zu ermitteln, zu analysieren und zu bewerten. Auf Basis der Prüfungsergebnisse erarbeitete die Deutsche Bahn einen Landschaftspflegerischen Begleitplan (LBP), der die Kompensationsplanung mit konkreten Maßnahmen zum Ausgleich von Eingriffen beinhaltet.