作为千古形胜之地的武关，诗人跋涉至此，不能不驻足凭吊一番。所以首联开门见山，用拟人的艺术手法，把自己在武关的盘桓说成是“碧溪”的相留，这就将诗情十分自然地转到对这一历史陈迹的临风联想上来。
“一笑怀王迹自穷”，是诗人对楚怀王的悲剧结局的嘲弄，其中更有对怀王其人其事的感叹、痛恨和反思。因此，颔联紧承这一脉络，以历史家的严峻和哲学家的深邃具体地分析了“怀王迹自穷”的根源。楚怀王原任命屈原为左徒，内政外交均很信任他。后来由于上官大夫的诬陷，怀王渐渐疏离了屈原。秦国见有隙可乘，就派张仪至楚，以重金收买了上官大夫靳尚之流，并贿赂了怀王稚子子兰和宠姬郑袖，谗害屈原。怀王在郑袖、靳尚等一群佞臣小人的包围下，终于走上绝齐亲秦的道路，放逐了屈原。最后怀王为秦伏兵所执而客死秦国。此后楚国国运日益衰败，一蹶不振。从这段历史可以看到，怀王的悲剧结局完全是由于他亲小人、疏贤臣的糊涂昏庸所致，是咎由自取，罪有应得。因此，诗人在颔联中以形象化的语言，极为深刻地揭示了这一内在的根源。这两句诗对比强烈，内涵丰富。郑袖“娇娆”，可见其娇妒、得宠之态，而“酣似醉”，足见怀王对他的宠幸和放纵；屈原“憔悴”，可见其形容枯槁、失意之色，而“去如蓬”，足见屈原遭放逐后到处流落，无所依归的漂泊生涯。诗人正是通过小人得势、贤臣见弃这一形象的对比，婉转而深刻地指责了怀王的昏聩，鞭挞了郑袖的惑主，以及痛惜屈原的被逐。由此思之，诗人在瞻眺武关时，面对“怀王迹自穷”的现实，不能不付之一笑。
颈联在构思上是个转折，从对历史的沉思、叙述过渡到抒发眼前的感喟。诗人通过对江山依旧、人事全非的慨叹，说明“兴废由人事，山川空地形”（刘禹锡《金陵怀古》）的历史教训。楚怀王正是因为在人事上的昏庸才导致了丧师失地、身死异国的悲剧。从这一意义来说，这一联的感慨实际上是对上联所叙述史事的寓意的进一步延伸。
最后，诗人的眼光再次落到武关上。如今天子神圣，四海一家，天下统一；武关上长风浩荡，戍旗翻卷，残阳如血。这一联是全诗的出发点。杜牧不但才华横溢，而且具有远大的政治抱负，他的理想社会就是盛唐时期统一、繁荣的社会。但是晚唐时期，尽管形式上维持着统一的局面，实际上，中央王朝在宦官专权、朋党交争的局面下势力日益衰败，地方藩镇势力日益强大，几乎形成了“无地不藩，无藩不叛”的局面。这不能不使怀有经邦济世之志和忧国忧民之心的诗人忧心忡忡。面对唐王朝渐趋没落的国运，诗人站在武关前，思绪万千。于是对历史的反思，对现实的忧思，一齐涌上心头，形于笔底。他希望唐王朝统治者吸取楚怀王的历史教训，任人唯贤，励精图治，振兴国运。同时也向那些拥兵割据的藩镇提出了警戒，不要凭恃山川地形的险峻，破坏国家统一的局面；否则，不管弱吐强吞，其结局必将皆成空。
在诗人生命的历程中，也许是伤心的经历太多、太长，也许是伤心的程度太深、太重，这首以“伤心”为题的短歌并不专写哪一件伤心之事，他既没写伤心经历之“实”，又不写伤心情怀之“虚”，而只写眼下自己的景况与周围的环境。
这是一首五言古诗，全诗八句可分为上下两层，前四句为第一层，先以三句写自身形象。首句“咽咽”是状写悲吟之声。全句写自己“咽咽”地学习效法楚辞，咏吟着忧怨哀愤的诗句；第二句写自己多病的身躯经不住幽冷清寂的侵袭；第三句写自己早生华发，年轻的躯体现出衰飒的“秋姿”。第四句“木叶啼风雨”，转入环境景物，写风雨中纷纷飘落的残枝败叶。这一句环境景物的描写，既是对自身的悲凉境况加以烘托，也具有强化自身形象的比喻象征意味——诗人自身的“病骨”、“秋姿”就像“风雨”中的“木叶”。同时，这句写景又引出以下第二层身边琐屑景物的描绘，使诗歌从第一层向第二层自然地过渡，确乎是“一石三鸟”，言短而意深境阔。
后四句是第二层。先以三个诗句写身边景物。眼前灯油将尽，灯焰闪着阴阒宛如鬼火的青光，飞蛾在扑打着燃焰将熄的残光；背后，古旧的墙壁上积满厚厚的尘灰，就在这鬼气森森的环境中，末句写李贺这羁旅之客一缕诗魂在幽梦中依然喃喃自语。这后四句先写周围景物，残灯、落照、飞蛾、凝尘，最后以羁魂夜语的形象对周围琐屑景物加以点染。这点染加重了全诗阴暗、悲凉的氛围；深化了诗人“病骨”、“秋姿”的枯寂凄伤情怀，类乎颊上添毫，倍见丰神；同时它又与诗歌首句“咽咽学楚吟”首尾相呼应、相补充，诗人那漂泊的羁魂即使在幽渺的梦幻中仍得不到解脱，依旧在咽咽楚吟。这最后一句确乎又是一石三鸟，言短而意深境阔。
总观这一首《伤心行》，全诗四十言不露一个“伤心”字样，但在自身形象与周围景物的相融相生之中，字字句句都明显地外现出诗人内心那难言难述、繁久深重的伤心之意，从而也外现了震颤于诗人躯体中那颗已经伤透了的心，也表现出一位年轻且卓有才华的诗人在不合理的社会里，生活得多么艰难、多么不幸。
清人黎简评长吉诗“于章法每不大理会，然亦有井然者，须细心寻绎始见。“（《长吉诗集评》）李贺诗确实多不大注意章法，《伤心行》这首五言古诗，虽则八句，却绝不沿袭律诗起、承、转、合的层次结构。但从上述对全诗的剖析来看，《伤心行》前后两层把自身景况与周围景物自然熨贴地交揉在一起，当属于黎简所谓“细心寻绎始见”其“井然”章法之作。诗人通过独具匠心的章法布局，把伤心的主题表现得那样浓重、那样沉郁、那样深幽。
李贺诗向以想象丰赡、设色瑰奇而著称。明人许学夷评长吉诗“调婉而词艳，然诡幻多昧于理。”（《诗源辩体》卷二十六）但《伤心行》写自身景况与周围环境，故而多用实笔，极少虚诞想象；多用白描，极少浓彩设色；含情含理，绝无诡幻谲妄。诗中所写的景况都是真实的写照，即使“羁魂梦语”也非虚拟，而是诗人现实形象的反照。至于周围环境，无论大景小景，可能均系眼前实景，即使并非实景而是诗人借助想象而构成的种种意象，但它却更典型地表现了诗人所处现实境遇的凄冷、阴寂。这“实”与“朴”的特色，缩短了读者与作者的距离，强化了艺术上“真”的感染力。全诗在实笔、白描之中，也偶或闪现出新奇造语的火花，如用“秋姿”写自己形貌，更见其衰飒枯槁；用“凝尘”写壁上灰土，更见壁之残古、尘之积铸；用“落照”借指残灯弱焰，更见其无可挽救的衰竭。如此新奇造语增加了诗歌语言的表现力度。正是这种种情况，形成《伤心行》独有的格调：古淡质实之中，蕴涵着李贺特有的凄伤色泽。
“粉壁为空天，丹青状江海”这两句运用铺叙的手法，描绘出一幅粉壁为天、下有江海的绝妙景致，意境极为开阔，易使读者产生激昂振奋的感觉。侧面表现出诗人超脱的想像力，虽写观画感受，却使读者如身临其境，表达出诗人在咏物题画等方面有相当高超的技巧。
“游云不知归，日见白鸥在”描绘一幅浮云飘泊不定、在烟云深处寻找鸥鸟身影的景致，意境极为幽闲，表现了作者隐逸的思想、追求自由的精神和旷达的情怀。此两句有紧扣上文，烘托气氛，皆写画中景物：天空、江海、浮云、白鸥，为下文写不志安的归隐之思作铺垫。
“博平真人不志安，沈吟至此愿挂冠”通过写借用博平真人不志安欲“挂冠”的归隐心，表露出诗人的江海之志。既是明写，亦是喻己。
“松溪石磴带秋色，愁客思归坐晓寒”运用融情于景的手法，笼罩在“秋色”中的“松溪”、“石磴”无不带有诗人、画家的感情因素。结得自然，而又落脚于“秋”字，自然地点明了寄诗抒怀的时间，从而联想到自已的身世，漂泊不定如浮云一般。“愁客”、“思归”，字里间处处充溢着客居思归的酸楚之情，让诗句意境显得清寂或清峭，情绪上则带着比较重的孤独感。
云、风、雷、电，天、海、月、日、涛，是李白爱入诗的事物。凌、挥、飞、吼，奔、卷、横、啸是李白最爱入诗的动词。此诗借用“空天”、“江海”、“游云”、“日见”、“带”、“坐”等有巨大气势的事物和表现大起大落的动词，使得诗意具有飞扬跋扈、迅猛阔大、不可一世的气势，易使读者产生激昂振奋的感觉，同时描写了画上的美景，又表达了思乡的感情。在诗歌格式上，五言与七言融合一体，也体现了李白不拘一格、自由奔放的诗歌特色。