这首诗大致可分两段。第一段从篇首至「美人如花隔云端」，写诗中人「在长安」的相思苦情。诗中描绘的是一个孤栖幽独者的形象。他（或她）居处非不华贵──这从「金井阑」可以窥见，但内心却感到寂寞和空虚。作者是通过环境气氛层层渲染的手法，来表现这一人物的感情的。先写所闻──阶下纺织娘凄切地鸣叫。虫鸣则岁时将晚，孤栖者的落寞之感可知。其次写肌肤所感，正是「霜送晓寒侵被」时候，他更不能成眠了。「微霜凄凄」当是通过逼人寒气感觉到的。而「簟色寒」更暗示出其人已不眠而起。眼前是「罗帐灯昏」，益增愁思。一个「孤」字不仅写灯，也是人物心理写照，从而引起一番思念。「思欲绝」（犹言想煞人）可见其情之苦。于是进而写卷帷所见，那是一轮可望而不可即的明月呵，诗人心中想起什么呢，他发出了无可奈何的一声长叹。这就逼出诗中关键的一语：「美人如花隔云端。」「长相思」的题意到此方才具体表明。这个为诗中人想念的如花美人似乎很近，近在眼前；却到底很远，远隔云端。与月儿一样，可望而不可即。由此可知他何以要「空长叹」了。值得注意的是，这句是诗中唯一的单句（独立句），给读者的印象也就特别突出，可见这一形象正是诗人要强调的。
以下直到篇末便是第二段，紧承「美人如花隔云端」句，写一场梦游式的追求。这颇类屈原《离骚》中那「求女」的一幕。在诗人浪漫的幻想中，诗中人梦魂飞扬，要去寻找他所思念的人儿。然而「天长地远」，上有幽远难极的高天，下有波澜动荡的渌水，还有重重关山，尽管追求不已，还是「两处茫茫皆不见」。这里，诗人的想象诚然奇妙飞动，而诗句的音情也配合极好。「青冥」与「高天」本是一回事，写「波澜」似亦不必兼用「渌水」，写成「上有青冥之高天，下有渌水之波澜」颇有犯复之嫌。然而，如径作「上有高天，下有波澜」（歌行中可杂用短句），却大为减色，怎么读也不够味。而原来带「之」字、有重复的诗句却显得音调曼长好听，且能形成咏叹的语感，正《诗大序》所谓「嗟叹之不足，故永歌之」（「永歌」即拉长声调歌唱），能传达无限感慨。这种句式，为李白特别乐用，它如「蜀道之难难于上青天」、「弃我去者，昨日之日不可留；乱我心者，今日之日多烦忧」、「君不见黄河之水天上来」等等，句中「之难」、「之日」、「之水」从文意看不必有，而从音情上看断不可无，而音情于诗是至关紧要的。再看下两句，从语意看，词序似应作：天长路远关山难（度），梦魂不到（所以）魂飞苦。写作「天长路远魂飞苦，梦魂不到关山难」，不仅是为趁韵，且运用连珠格形式，通过绵延不断之声音以状关山迢递之愁情，可谓辞清意婉，十分动人。由于这个追求是没有结果的，于是诗以沉重的一叹作结：「长相思，摧心肝！」「长相思」三字回应篇首，而「摧心肝」则是「思欲绝」在情绪上进一步的发展。结句短促有力，给人以执着之感，诗情虽则悲恸，但绝无萎靡之态。
此诗形式匀称，「美人如花隔云端」这个独立句把全诗分为篇幅均衡的两部分。前面由两个三言句发端，四个七言句拓展；后面由四个七言句叙写，两个三言句作结。全诗从「长相思」展开抒情，又于「长相思」一语收拢。在形式上颇具对称整饬之美，韵律感极强，大有助于抒情。诗中反复抒写的似乎只是男女相思，把这种相思苦情表现得淋漓尽致；但是，「美人如花隔云端」就不象实际生活的写照，而显有托兴意味。何况我国古典诗歌又具有以「美人」喻所追求的理想人物的传统，如《楚辞》「恐美人之迟暮」。而「长安」这个特定地点更暗示这里是一种政治的托寓，表明此诗的意旨在抒写诗人追求政治理想不能实现的苦闷。就此而言，此诗诗意又深含于形象之中，隐然不露，具备一种蕴藉的风度。