首句开门见山，点明“牛渚夜泊”。次句写牛渚夜景，大处落墨，展现出一片碧海青天、万里无云的境界。寥廓空明的天宇，和苍茫浩渺的西江，在夜色中融为一体，越显出境界的空阔渺远，而诗人置身其间时那种悠然神远的感受也就自然融合在里面了。
三、四句由牛渚“望月”过渡到“怀古”。谢尚牛渚乘月泛江遇见袁宏月下朗吟这一富于诗意的故事，和诗人眼前所在之地（牛渚西江）、所接之景（青天朗月）的巧合，固然是使诗人由“望月”而“怀古”的主要凭藉，但之所以如此，还由于这种空阔渺远的境界本身就很容易触发对于古今的联想。空间的无垠和时间的永恒之间，在人们的意念活动中往往可以相互引发和转化，陈子昂登幽州台，面对北国苍莽辽阔的大地而涌起“前不见古人，后不见来者”之感，便是显例。而今古长存的明月，更常常成为由今溯古的桥梁，“月下沉吟久不归，古来相接眼中稀”（《金陵城西月下吟》），正可说明这一点。因此，“望”、“忆”之间，虽有很大跳跃，读来却感到非常自然合理。“望”字当中就含有诗人由今及古的联想和没有明言的意念活动。“空忆”的“空”字,表现了诗人对过去的回忆，也暗示了这份回忆注定没有回应。暗逗下文。
如果所谓“怀古”，只是对几百年前发生在此地的“谢尚闻袁宏咏史”情事的泛泛追忆，诗意便不免平庸而落套。诗人别有会心，从这桩历史陈迹中发现了一种令人向往追慕的美好关系—贵贱的悬隔，丝毫没有妨碍心灵的相通；对文学的爱好和对才舟的尊重，可以打破身份地位的壁障。而这，正是诗人在当时现实中求之而不可的得。诗人的思绪，由眼前的牛渚秋夜景色联想到往古，又由往古回到现实，情不自禁地发出“余亦舟高咏，斯人不可闻”的感慨。尽管自己也象当年的袁宏那样，富于文学才华，而象谢尚那样的人物却不可复遇了。“不可闻”回应“空忆”，寓含着世无知音的深沉感喟。
“明朝挂帆席，枫叶落纷纷。”末联宕开写景，想象明朝挂帆离去的情景。在飒飒秋风中，片帆高挂，客舟即将离开江渚；枫叶纷纷飘落，象是无言地送着寂寞离去的行舟。秋色秋声，进一步烘托出因不遇知音而引起的寂寞凄清情怀。
诗意明朗而单纯，并没有什么深刻复杂的内容，但却具有一种令人神远的韵味。这种神韵的形成，离不开具体的文字语言和特定的表现手法。这首诗，写景的疏朗有致，不主刻画，迹近写意；写情的含蓄不露，不道破说尽；用语的自然清新，虚涵概括，力避雕琢；以及寓情于景，以景结情的手法等等，都有助于造成一种悠然不尽的神韵。李白的五律，不以锤炼凝重见长，而以自然明丽为主要特色。此篇行云流水，纯任天然。这本身就构成一种萧散自然、风流自赏的意趣，适合表现抒情主人公那种飘逸不群的性格。诗的富于情韵，与这一点也不无关系。
此诗的前四句写秋夜天宇和金陵远景。起首二句：“天上何所有？迢迢白玉绳。”一问一答，天真活泼，明快自然，饶有民歌风味。诗人仰望秋空，看到在这寥廓空明的天宇上远远地闪烁着两颗银亮的玉绳星。三四两句写玉绳星照耀下的金陵城。诗人放眼远眺，但见玉绳星斜斜地、低低地嵌镶在建章宫高大的楼阙旁边，发出格外耀目的光芒，对着整个金陵古城。这四句从大处落墨，先写天空，后写地面，连接自然，展现出碧海般的青天，白玉般的明星，以及星光照耀下的金陵城巍峨宫阙的剪影，境界空阔高远，正融注了诗人秋夜泛月时那种萧散自然、风流自赏的意绪。如果更深细地品味，这四句诗已隐隐透露，出怀念前代诗人谢朓的情思。谢朓《暂使下都夜发新林至京邑赠西府同僚》诗中，有“秋河曙耿耿，寒渚夜苍苍……金波丽鳷鹊，玉绳低建章”等写景佳句，李白诗的三、四句，显然是有意点化了谢诗，借以寄寓对谢朓的缅怀、追慕。而且，这两颗璀灿的玉绳星，一颗斜照建章阙，一颗耿对金陵城，仿佛具有象征的意蕴。它们在浩渺秋空中互相映照，仿佛正是谢朓、李白这两位古今相通、精神契合的天才诗人的化身。
中间四句写秋江月色。这里“汉水”借指长江。诗人不说“长江”而说“汉水”，是为了避免同下句“霜江”字面重复和音声相混。在板桥浦信步泛月的李白，俯视着脚下的大江，但见清澄的江水静静地流淌着，像是一条银光闪烁的白练。此刻，谢朓描写大江黄昏美妙景色的诗句“余霞散成绮，澄江静如练”（《晚登三山还望京邑》）自然跳上心头。对景吟诗，使他产生一种悠然神远的感变，仿佛自己已超越古今的界限，同小谢一起联袂步月，同赏秋江美景，推心置腹地纵论人生、品评诗文了。李白整个身心都沉浸在与古人神游的幻想境界里，以致忘怀了一切。他久久地凝望着明月逐渐西斜，月光如乳汁般倾泻在长江之中。直到月落星隐，天将破晓，朝雾弥漫洲渚，寒气侵袭发肤。这四句写秋江月色，明丽皎洁，清幽飘逸，动静相生，空灵迷人。而在这幅秋江月色图中，隐然一含情凝眺之人呼之欲出。这里表现出他的神态和心绪的变化：先是缅怀遐想古人，继而是与古人神游的畅快，接着是从遐想中醒悟过来发觉古人不可得见的寂寞与怅惘，这四句妙在不是静态的寓情于景和情景交融，而是从时间和景色的变化之中暗示出诗人复杂微妙的心理变化，不着痕迹，纯乎天籁。
最后四句点明题旨，直抒胸臆。诗人在板桥浦自斟自酌，没有知音同欢共饮，虽追慕谢朓，但毕竟相隔数百年，谁也不能把古人找回来。而在当今现世，像谢玄晖这样才华高妙、志趣相投的人，是很难得再遇到的。想到这里，诗人深深感到孤独寂寞，挥杯洒酒无心再饮。一股悲凉抑郁之气，充满了他的胸中。结句暗用梁代诗人江淹《恨赋》“置酒欲饮，悲来填膺”句意，而融化无迹，如同己出。至此，诗人不仅婉曲尽致地抒写了对古人的缅怀遐思，而且借痛感斯人之不可复遇，宣泄出世无知音的深沉感喟。