北京西站的建设构想早在1950年代就已经基本形成。历史上曾经先后于1975年至1976年、1981年至1985年和1989年至1993年三次进行规划和研究。

1959年秋天，北京站刚刚建成之时，时任国务院总理周恩来在审查北京市铁路规划的过程中，就肯定了要在北京建设一座西客站的建议。

1960年9月，在修改的北京铁路枢纽总布置图中，当时的构思是以北京西站和北京站作为枢纽主要客运站，并可能以四线并行地下隧道方式穿越北京市中心连线两大车站，而西站的站址正对公主坟。北京市政府也相应地在城市总体规划中在当时仍为市郊的莲花池附近为之预留了土地，因此在此后的很长一段时间内，莲花池一带一直是简易平房为主的仓库区，没有建设过永久性建筑。

1975年至1976年，北京西站启动了第一次规划和研究，提出了北京西站的初步规划方案，确定北京西站为通过式站型，站址位于今莲花桥西南角，车站站台、股道呈西北-东南走向，採用三角形广场，站房面向立交桥中心，最终由于政治原因而搁置。

1981年至1985年，北京西站启动了第二次规划和研究，通过方案论证提出了是车站中心正对羊坊店路的推荐方案，车站为通过式，站场设在北蜂窝路与三环路之间，今莲花池东路以南，站台西端距站中心180米，占用莲花池公园约20亩绿地；客技站设在三环路和丰台路之间，机务段、车辆段等设在三环路和规划的四环路之间、万寿路一带，最终由于建设费用的原因而搁置。

1989年至1993年，北京西站启动了第三次规划和研究，正式採用了1983年达成共识的羊坊店路方案。1990年9月30日，北京市政府、原铁道部、原邮电部向原国家计委提报北京西站的设计任务书，提出投资20亿元人民币，计画1991年动工，1993年开通使用，1994年完成收尾工作。1991年3月，该规划获国务院正式批覆。

1989年，经国务院批准，北京西站建设的前期搬迁任务展开。

1992年7月20日，北京西站建设领导小组作出了“一年準备，两年半施工，半年调试运转，1995年底建成通车”的总体部署。

1992年下半年，北京西站进入先期施工阶段，部分市政工程，例如新开渠盖板河、捷运预埋 、西三环道路拓宽等，以及西长铁路联络线岗洼特大桥等工程陆续开工建设。

1993年1月19日，北京西站正式开工建设。与此同时，同时全长28公里、连线京广铁路的西长联络线全面动工。

1995年4月，北京西站内外装修、设备安装全面展开，西长联络线铺轨工程接近车站。

1995年6月6日，时任中共中央总书记、国家主席、中央军委主席的江泽民为北京西站题写了站名。

1995年9月28日，第一列试运行列车经西长联络线抵达北京西站，标誌着北京西站正式试运营。

1995年11月7日，江泽民视察北京西站，在西站贵宾二厅听取西站建设总指挥部的汇报，观看了北京西站地下综合大厅和北站房外景。

1996年1月21日，北京西站正式开通运营。

2001年，北京市政府在申办奥运会之际，北京西站地区管委会对北京西站的公共设备和场所进行全面整治和改造。

2003年下半年，由于北京西站的日传送列车设计能力远远不能满足春运高峰期间的实际列车传送量，因此原铁道部及北京铁路局启动了北京西站二期工程，在原有6个站台的基础上增设三个站台。同时，对车站站台进行大规模改造，包括改善採光设施、改造雨篷、增高站台等，改造后的雨棚是国内首例大跨度钢结构雨棚。

2003年10月2日，北京西站出入境联检厅启用，以供京九直通车乘客使用。

2005年，为配合北京南站封站改造，北京西站又扩建了9号站台和新建10号站台，以分流部分北京南站的旅客客流。在扩建工程中，同时对1至7号站台的雨棚进行改建，并新建8至10号站台的雨棚。

2005年12月，于1959年已经提出的连线北京站与北京西站的北京地下直径线开工。

2010年11月10日，北京西站南广场改造工程正式启动。工程完成后，南广场将分流西站部分旅客，从而缓解西站北广场的交通压力。

2012年，途经北京西站的京广高速铁路开通运行。

2012年9月22日，改造完成的北京西站南广场正式启用。

2015年3月20日，北京地下直径线建成通车，使北京西站具备来自京哈铁路等方向的旅客列车接发能力。

北京西站是“八五”计画的重点工程，由北京市和原铁道部共同出资，总投资65亿元人民币。截至2015年3月，车站主建筑群建筑面积50多万平方米，直接服务旅客的建筑面积近30万平方米。北京西站的设计利用捷运站穿过车站中轴线形成的结构布局（高层建筑基础原在捷运两侧）的中央空档，借鉴中国的“关”、“城门楼”的形象, 设计成了一个45米宽、50米高的大门洞, 在45m长的巨型钢结构上放了一个“门楼”，现代钢结构与传统门楼的组合。这一主题重複出现在东西出站口组成三座门，成为火车站形象的基调。同时，设计採用了民族传统建筑形式，做为莲花池历史文脉的延续，强调西客站的纪念性。

此外，北京西站也强调了时代精神的表现。车站通过巨型钢架和钢亭的组合及巨大的门洞产生时代感，吸收了国外车站使用玻璃的做法，在西客站设计了玻璃大雨拥、中央大厅玻璃棚、中央通廊玻璃天栩等，在大量人流集散的部位儘量做到引入自然光，变过去车站的昏暗压抑为明亮通透。通过大球形网架的形象与传统建筑形象互相渗透，在主亭上用暴露结构的方法露出钢亭、屋顶网架桿件和支持飞檐的桿件，使门楼融进钢结构和网架形象，代替了木结构的斗拱，使主亭也具有时代特点。

车站南北广场中心设定了两座城雕，其中，南广场为弘扬中华民族悠久历史文化为主题的雕塑，北广场为以走向21世纪为主题的雕塑，从而形成“一个文明古国的现代崛起”的完整构思，以此烘托西客站的纪念性主题。

北京西站设计为上进下出模式，即地面以上为旅客进站、候车系统，地下部分为旅客出站系统，地下负二层设有4个出站口，分别为北一出口、北二出口、南一出口和南二出口。北京西站现有13个候车室，候车面积约2.1万平方米，可容纳2.5万人同时候车。

北京西站1号站台

北京西站的站场为通过式，置于三环路与北蜂窝路之间，採用高架候车、上进下出、南北开口、北侧为主的桥上站类型。车站东、西两侧，均设出站地道；靠近站台端部设邮件、行包合用地道，并以横向地道沟通（呈U型），儘量减少站台上车辆穿行；联繫南北广场，专供行人使用的地下中央自由通道，布置在车站中部附近的人流集中处，既解决车站南北两侧居民的自由往来，又兼顾南北广场公共运输间的换乘。

北京西站的站房分为南北两侧。其中，北侧站房包括售票、行包、候车、管理用房和以旅客为主要服务对象商业用房；南侧站房包括购票、行包、候车等用房，便于南侧旅客就近乘降。

北京西站北广场售票厅内部

北京西站的广场分为步行广场、个体交通（大、小型客车）和出租汽车停车场。广场东部安排有公共汽车始发站和邮件处理中心及邮电支局；广场西部安排有行包房及其专用停车场；广场之下拥有可停放小型汽车的地下停车场和捷运站，其中捷运站的南出入口在西站进站大厅内，北出入口放在莲花池东路以北。

北京西站各次列车均实行实名制购票、验证验票进站，车站于开车前5分钟停止检票进站。乘坐Z97次去往九龙（红磡）的旅客，需在开车前90分钟进入联检区域开始办理验关手续，开车前20分钟关闭联检大厅进站通道并停止检票。接乘坐动车的旅客请到南一、南二出站口接站，接乘从普通列车的旅客请到北一、北二出站口接站（注：南一、南二出站口之间相通，北一、北二出站口之间相通）。

截至2015年3月，北京西站设有10个站台（18个站台面），其中1、18站台为侧式站台，其余为岛式站台，20条站线，西侧引出西长联络线连线京广铁路和京西联络线连线京广高速铁路，东侧引出北京地下直径线和京九铁路。

截至2015年6月，车站共有人工售票视窗91个，分设在车站北厅、南厅、地下和二楼。在此基础上，车站在南、北广场东西售票厅、北二楼进站口、地下退票厅共设定自助取票、售票机89台。

如有特殊情况需进站接人，请到北京西站南广场、北广场一层、二层进站口爱心通道处找北京站铁路工作人协助。

西站地区管委会于2018年春运前建设完成“北京西站地区旅客出行智慧型定位导航服务系统”，并在春运中正式上线使用。通过“北京通”APP，为旅客手机端提供定位引擎，实现在西站地区範围内的定位、路径规划和连续导航功能。

需要办理临时身份证，请本人携带一寸照片，到北广场一层售票厅内办理。

北京西站北侧站房的综合大楼中提供以旅客为主要服务对象的购物、餐饮、文娱、短暂休息、邮电、住宿和暂存物品等服务。此外，站前广场西部也布置有商业服务业用房。

1996年，北京西站全年旅客运输量为1742万人次。

2004年，北京西站全年旅客运输量为4906万，同比1996年增长182%。

2009年2月，北京西站在2009年春运期间上下车的旅客超过1300万人次，创下建站以来的最高记录。

2015年，北京西站日均旅客20万，高峰期达到40万。

2015年中秋节和国庆节，北京西站传送旅客240.5万人，日均18.5万人。

2016年，北京西客站日均客流量18-20万人，高峰期间日客流量达到40-60万人次，覆盖人群近1.8亿次。

北京西站配套的捷运站位于北京西站地下，为北京捷运7号线和北京捷运9号线的同站台换乘站，两条捷运线路站台位于同一层面。

北京西站是北京市内交通枢纽之一，北广场和南广场均有公交枢纽。

北京西站地下建有计程车站。2012年9月22日，位于南广场西北侧的计程车调度站开始营运。

2007年末，在某报刊主办的“北京新地标评选”活动中，北京西站以仅次国家体育场地得票数，获评北京新地标。

北京西站建成后，由于其是中国两大铁路干线——京广线及京九线和一条高速铁路干线——京广高速铁路的客运列车始发站，从北京到中国的中南、华南、西南与西北等地区的旅客列车大多数都从北京西站始发终到，缓解了北京站的客运压力。