2011年，太原站被列入太原市历史建筑；同年5月22日，太原站实施发售实名制票。

2012年11月22日，太原站对自助售票机功能进行了全新升级，可发售异地车票等三项新业务；同年12月26日，京广高速铁路开通，太原站首开“G”字头高速动车组前往北京西、郑州东、武汉等地，标志着太原站乃至山西省正式进入高铁时代。

2013年11月19日，太原站新建的自动取票厅投入使用。

2014年4月4日，太原站官方微信平台“大秦铁路股份有限公司太原站” 正式上线；同年4月7日，太原站站前道路改造开工；同年4月9日，太原站地下隧道及停车场工程开工；同年7月25日，太原站下穿地道环岛呈现雏形；同年12月10日起，太原站实行新列车运行图，部分列车运行情况将有所调整。

2016年，迎泽大街下穿太原站东延方案出炉；同年4月23日，由中铁十四局承建的太原站下穿工程开工建设。

2017年4月16日，太原站第一阶段调整列车运行图实行；同年9月5日，太原站东广场及配套路网工程发布中标公示，中标单位：中铁十四局集团有限公司；同年12月16日，中铁十四局承建的迎泽大街东延下穿太原火车站盾构工程正式开始掘进。

2018年2月1日，太原站智能服务机器人在软卧候车室上岗；同年11月，太原站“改梅助困室”新建厕所正式启用。

2019年1月20日，太原站售票二厅内，新安装的33台自动取（售）票机调试完毕，于1月21日也就是全国“春运”首日正式启用。

2020年3月30日，随着5种车型、12组试验动车组列车依次驶过太原火车站，用时480分钟、近3000名施工人员同时立体化作业的太原站增建“两线一台”开通施工胜利结束，太原站成功扩容，站场规模扩大至5台12线。

2021年4月，迎泽大街东延工程重要节点——太原站东广场基本建成。

太原站外观古朴大气，风格呈现出折衷主义的古典推致，两座钟楼分设两端，每逢整点时刻大钟便会放出《人说山西好风光》的音乐。夜晚的车站广场热闹非凡，站房更是在金黄色的灯光色彩下呈现出富贵吉祥的美丽色彩。

截至1994年，高架候车楼总建筑面积为30599平方米，高架候车室总建筑面积138207平方米，可同时容纳旅客9000人。高架楼共设4个候车大厅，1个母子候车厅，1个军人候车厅，分中、南、北3个通道，内设7部扶梯、4部垂直电梯和8座踏步与各站台联通。

截至1997年，太原火车站高架候车楼工程，基础为挖孔桩，桩深15.7米，桩径最大2.3米，最小1.3米，共计208根。高架楼长171.6米，宽79.5米，框架结构，主体2层，局部3层，总高度20.4米，层面由7个球形网架构成。室内装饰为轻钢龙骨隔墙，墙面彩喷，AC板吊顶，大理石墙裙，花岗岩地面，大理石和不锈钢柱面，铝合金门窗；候车厅内设中央空调，配有闭路电视和照明用各式豪华灯饰、壁画等。

截至2017年12月18日，太原站东广场为地下地上两层，地面层总面积为2.61万平方米，包括1.2万平方米的中央广场区域、7400平方米的公交车接送旅客区域、6700平方米的出租车接客及停车区域；负一层总面积为3.2万平方米，其中车库面积2.3万余平方米。

太原站主体为三层建筑，局部两层，共设四个候车厅。

高架候车厅内设四个普通候车厅，二个母子候车厅及其他配套设施，主体结构为框排架现浇混凝土柱、梁、板，球节点网架,基础采用挖孔灌注桩，地面为花岗岩，墙裙为大理石，铝合金门窗，多彩喷涂内墙面。另设集中空调、自动扶梯、垂直电梯及电子引导、电视监控等多种自动化系统。

太原站地下空间采用的是“南进北出”的设计思路，社会车辆及出租车由广场南侧经辅道进入地下空间，在地下空间按车的类别进行分流，社会车进入社会车停车区，出租车进入出租车蓄车区等候接客。地下空间的出口位于火车站北侧，出口共有两个，可以分别实现地下空间内车辆直接进入迎泽大街东向西主线或进入建设路由南向北的辅路。

截至2020年3月30日，太原站拥有5台12线（包括上下行正线4条，到发线8条），其中Ⅴ道、X道为石太客专正线，II道、XI道为大西客专正线。此外，太原站还有客技站客车整备线20条，检车、修车线9条。途经该站的线路为南北同蒲铁路、大西铁路、石太铁路、石太客运专线、太焦铁路、太中银铁路、京原铁路、介西铁路等。

截至2011年6月27日，太原站售票窗口配备POS机，旅客可持银行卡直接购票。

截至2017年12月8日，太原站有售票厅2个，人工售票窗口32个，自动售票机14台，客票代售点窗口128个。

截至2019年1月20日，太原站售票二厅外边已有31台自动取票机和6台自动售票机。加上新增的27台自动取票机和6台自动售票机，太原火车站自动取（售）票机的总数将达到70台。

截至2017年12月8日，太原站有候车厅4个，并设有软席候车厅、母婴候车室、助困室。其中，候车室设立动车专厅，为乘坐动车旅客提供良好的候车环境，实现优质优价。高架候车室新增了“孙慧服务台”，提供“六心服务法”：细心观察法、耐心解释法、爱心助困法、真心解难法、知心互动法及温馨提示法。

商铺站内设有迷你超市等商业设施，各种副食饮料及报刊杂志购买方便。行李白车站大楼左侧设有行李寄存处，一般小件行李5元/天，大件10元/天，可根据需求选择寄存。

2009年4月30日至5月3日，太原站共发送旅客26万人次。

2009年铁路暑运期间，太原站日均发送旅客5.6万人次。

2016年春节假日期间，太原站发送旅客240000余人次。

截至2017年12月21日，太原站旅客到发量日均为13.3万人次。

2003年10月24日，“改梅助困室”是太原站以全国劳模史改梅名字命名的工作室，位于太原站进站口右侧，主要服务老幼病残孕等重点旅客。

2013年7月12日，太原站对“改梅助困室”进行第一次扩建改造，面积变成30平方米。

2016年1月24日，太原站第二次扩建后的“改梅助困室”正式投入使用，面积增加到48平方米。

截至2017年12月17日，根据规划，太原站将建东广场，广场地面设有公交车站、出租车候车区，地下设有停车库以及集散大厅。配建的东站房规划有高架落客区，将可实现乘客的即停即走。

此外，太原站东广场建设还包括太原市轨道交通1号线太原站东广场站土建预留工程，换乘站位于规划的迎泽东大街与双塔北路交叉口处，车站沿迎泽东大街东西向布置，双塔北路西侧部分车站与地下车库合建，车站与太原站东广场集散大厅相连。

未来，太原火车站将成为综合交通枢纽之一，乘客们在乘坐火车出行同时，在该站可实现换乘公交、出租车、地铁、长途汽车等其他交通工具出行。

太原站为特等站，连接南北同蒲线、大西线、石太线、石太客专、太焦线、太中银线、京原线、介西线等，旅客到发量日均为13.3万人次，是山西省内人员集散量最高的火车站。（《山西晚报》 评）

2024年5月26日，太原火车站候车室“不雅”壁画引热议。对此，太原车站方面迅速做出回应，解释这幅壁画源自晋祠公园的一个古老传说，已经存在多年，并且在壁画旁边设有详细的说明供乘客阅读了解。车站方面强调，这幅壁画具有艺术与文化价值，是当地文化遗产的一部分。