2016年9月10日，西安北站北站房和大西场投入使用、大西客专列车改由大西场开行，其进出站流线发生变化，呈现出现代化铁路客运站“大进大出、立体集散分离”的特点。

2017年12月6日，西安北站首发开往成都东站的D4251次列车，标志着西成高速铁路正式开通运营，阻隔中国西北与西南的秦岭天堑由此贯通，蜀道难成为历史。

2018年12月26日，西安北站北站房与地铁4号线同步开通使用，车站候车能力进一步扩容，候车室面积从原7.88万平方米增加至11万平方米，增加47.5%。

2019年1月25日，西安北站南广场公交场站正式启用，108路、266路、360路、362路公交调整至此发车。同年11月20日起，西安北站开通电子客票业务，旅客无需取票，刷证即可乘车。

2020年12月26日，西安北站首发开往银川站的D4355次列车，标志着西银高速铁路全线开通运营。

2022年5月5日，西安北站电子监控启用，车辆落客通行不得超8分钟。

2022年8月8日8时，西安北站枢纽工程东、西停车楼计划开通并进入试运营阶段，旨在进一步缩短旅客进出站距离。

2023年2月18日10时，西安北客站项目枢纽工程（一期）跨铁路斜拉转体桥工程正式开工建设。

2024年6月15日，西安北站至广州白云站高铁列车开行。

西安北站的设计立意为“唐风汉韵、盛世华章”，整体朴素庄重、雄奇壮美，气势恢宏、彰显浓郁的汉唐雄风。西安北站融合了唐朝建筑大明宫含元殿和西安城墙的元素，屋顶、进站大厅、高架层分别源自大明宫含元殿出檐深远的屋顶、结构外露的墙身、浑厚有力的台基。车站的屋顶由七个单元体组成，每个单元体在中间高起的屋脊处开以梭型的天窗，既能利用天然采光，又能在立面上形成一道优美的弧形屋脊，与舒展的两翼相得益彰，优化了结构受力和采光条件。室内主要为灰色和白色等浅色调，体现出西安古城风貌，营造了一种安静的氛围。

西安北站站房采用高架候车、线下出站的布局，旅客流线采用“上进下出”的集散方式，保证了旅客集散方便快捷。社会车辆、出租车及公交车的进出站流线清晰，进站客流和出站客流互不干扰、立体分离，具有现代化车站公交化、机场化的特点。站房周边设有一圈环绕车站的高架匝道，进站旅客下车后可直接进站、安检到达高架候车厅候车；站房下方设有联系南北广场的自由通道，出站旅客下车后可换乘其他交通工具离站。

西安北站的站房构造采用柱顶水平滑动支座分缝方式，以减小温室效应和土地浪费；站房建设采用智能消防、照明以及环保吸音、吸光、自动售票等高科技项目，使站房富于科技含量，使古朴之风与现代科技、生态情调相统一；高架层铺设采用钢化LOW-E玻璃幕墙和热压通风技术，自然采光，体现了绿色、环保的宗旨。

西安北站由站房、站场、无站台柱雨棚和西安北动车运用所组成，主体建筑为南北双向客运站房、双向站前广场，形成南主北辅的规模格局。总建筑面积33.66万平方米，主体建筑总高度43.6米，其中主站房面积17.1万平方米、站房面积为9万平方米，最大容纳8万名旅客同时候车。车站全长8.4km，其中车场部分3.4km，动车所及走行线部分5km，其中站房东西方向宽（含站台雨棚）434.5米、南北方向长550.4米。

西安北站主要功能分区分为三层：

地上二层（即2F层）为出发层、候车层，为主要候车区域。设置售票处、候车厅，位于大跨度轻钢折板网架结构的屋盖空间下方，与站台形成共享空间，旅客在候车大厅可居高临下、清楚看到站台上列车到发情况；该层四周上方（即2F夹层）为商业服务区，面积1.7万平方米。◆乘坐社会车辆或出租车到达、换乘动车的旅客可由该层东西两侧主入口进站，进站后可到位于入口两侧的售票处购票，并根据PDP屏上显示的信息到相应检票口区域候车检票。

地上一层（即1F层）为出发层、站台层，为主要进站口。设置售票处、进站口、和站台；设有检票口36个共计152台自动检票机，自动完成旅客车票的验证和记录；设置贵宾候车室，在到达层与出发层的中间设有专用车道，贵宾车可以直接将贵宾送至站台。◆乘坐公交或地铁到达、换乘动车的旅客，可由该层进站。

地下一层（即B1层）为到达层、出站层，为铁路和地铁共用，并兼作市政南北大通道。设置地下出站厅，地铁出入口及联系南北广场的自由通道；通道两侧分别设有五个出站通道，共计有112组出站闸机；中间为地铁付费区，高铁到达换乘地铁的旅客可由出站通道进入地铁付费区，购票后到地铁站台层（即B2层）乘坐地铁；在站场投影范围以外设有出租车及公交车停车场，换乘公交或出租车旅客可由南北市政通道进入广场地下停车场乘坐公交或出租车。◆乘坐地铁到达、换乘动车的旅客可通过南北出口进入1F或2F。

西安北站是徐兰客运专线（郑西客运专线段+西宝客运专线段）、大西客运专线、西成高速铁路、西银高铁、包西高铁、关中城际铁路网的枢纽车站，由3个站场组成，设18站台（2个侧式站台+16个岛式站台）、34股道、34站台面，是亚洲站台股道数最多、站场规模最大的高铁站。3个站场之间设有联络线，可以实现互联互通，以满足运输组织需要。

西安北站主要办理郑西、西宝、大西、西成、包西、银西高铁中长途动车始发终到作业，以及西成、银西高铁至郑西、大西、包西高铁动车通过作业，银西高铁至西武、西渝高铁部分动车通过。按照设计，西安北站每日可办理510对动车组到发。截至2017年7月，西安北站每日的动车组到发量仅100对左右，预计2020年西安北站每天将能够办理220对动车、2030年能够办理305对动车的到发业务。

截至2020年1月，西安北站是中国国站台和股道最多的高铁站。

截至2017年10月2日，西安北站设置22个人工售票窗口（含残疾人售票窗口、流动售票车窗口），各窗口均支持支付宝购票。西安北站在车站内外配置有86台自助售（取）票机，旅客可直接使用银行卡和居民身份证进行自助购取。西安北站的7号票厅6号窗口为互联网购票综合服务专口，用以处理旅客互联网购票的技术问题及旅客在银行卡余额不足或未带银行卡需办理车票低改高业务时、无法正常办理业务的问题。

2018年4月3日起，西安北站人工售票窗口实现“一窗”多用，旅客只需一次排队即可办理售票、退票、改签、身份信息核验、非二代身份证件取票等十余项业务，从而解决以往旅客排队后发现该窗口无法办理所需业务、需要重复排队的问题。

西安北车站在一楼和二楼候车室主入口处均设置“馨动长安”服务亭，在B1到达层地铁出口正前方站设置“馨动长安”服务台，可为旅客提供问询、引导和进站接送服务，并为有需要接送重点旅客的亲友填发和办理“馨动长安一卡通”。旅客如在车站遗失物品，可到候车大厅“馨动长安”服务台进行咨询并凭身份证领取。

西安北站设置重点旅客服务设备，23部垂直电梯将站房各层上下相连，56个求助按钮分散设置在关键处所，保证重点旅客无障碍乘降和及时求助。西安北站与西安市残联建立残疾人帮扶机制，为残疾人出行提供爱心服务；在重点候车区母婴哺乳室提供婴儿床、热奶器、消毒柜、毛毯等服务，在儿童书屋增加儿童书籍、益智玩具等用品。

2017年10月1日，西安北站投用“自助移动引导标识系统”，采取旅客与网络、商业与标志、平面与立体、静态与动态相结合的方式，将既有的固定引导标志通过电脑规划的线路连接起来，用线路指引和实景导航实现人与系统的自助互动引导，从而指引旅客快速到达站内不同层面的任何方位。

2018年5月，西安北站投用站内导航系统用以方便乘客辨别方向，同时升级站内智能问询机器人，完善语音对讲功能，以更高的语音辨识度和信息处理反应速度来提升旅客使用体验。

2017年10月1日，西安北站发送旅客125873人次。

2018年元旦期间，西安北站累计发送旅客60.64万人次。

2018年4月5日，西安北站发送旅客15.28万人。

2018年4月29日，西安北站发送旅客15.68万人，为建站以来单日客流发送的最高峰值。

2019年10月11日，西安北站开行旅客列车总数达到244.5对。

截至2019年12月25日，西安北站当年发送旅客5400万人次，完成运输收入80亿元，同比分别增长11.6%、12.9%。

截至2020年4月10日，西安北站开行旅客列车总数265对，其中直通列车202对、管内列车63对。

2023年春运期间（1月7日至2月15日，为期40天）西安北站累计发送旅客428.2万人次。五一期间，西安北站共发送旅客103.6万人次，到达旅客97.4万人次，总客流量为201万人次，日均到发旅客40.2万人，4月29日到发旅客43.1万人次。7月1日至8月31日（暑运期间，为期62天），西安北站客流总量为1919.36万人次；其中，发送旅客1059.85万人次，到达旅客859.51万人次，日均到发旅客30.96万人次；其中8月6日客流总量达39.22万人次。

2024年1月1日至3月5日，西安北站客流量达到1623.6万人次，比2023年同期增长21.1%，发送旅客854.6万人次，到达旅客768.9万人次，日均客流量达25万人次。其中，春运期间共开行列车1.9万列，较2023年同期增加了827列，客流量突破千万达到1082.3万人次，比2023年同期增长22.3%，其中，发送旅客574.5万人次，到达旅客507.8万人次，日均总客流量27.1万人次，高峰日为2月17日，共计34.7万人次。4月4日发送21.3万人次。5月1日发送23.3万人次。

截至2022年10月，地铁西安北站位于铁路西安北站下方，旅客可经地铁西安北站换乘西安地铁2号线、西安地铁4号线、西安地铁14号线。

长途汽车站（在建）设在南广场以东地块，公交车、社会车及长途汽车均靠近设置，便于三车相互换乘。

2021年6月29日，西安北客站枢纽工程一期开通。

西安北站位于西安市北部中轴线上（未央路及文景路、机场高速、北三环和绕城高速公路的衔接处）。

新落客平台：2016年9月1日起，西安北站的新落客平台道路开通运行。出租车、社会车辆（9座以下）送客到达，乘客由东门进站，然后车辆环岛绕行北客站出站，9座以上客车则在南门下客即停即走。落客平台为送站下客平台，接站载客车辆禁止驶入。每条落客车道右侧铺设行人绿色安全通道，引导行人经由绿色安全通道进入人行横道进站。

送站大循环线路：文景路（明光路、元光路或建元路）-元朔路-落客平台上桥口-平台东匝道出发口-落客平台下桥口（右转）-元朔路-明光路-离开。注：元朔路即尚新路，建元路即尚贤路，元光路即西铜辅道、凤城北路北段。

接站大循环线路：文景路（明光路、元光路）-元朔路-元朔路与建元路十字调头-上桥口直行向西-地下停车场（接人）-元朔路-明光路-离开。接站时，车辆不能在落客平台上桥口处调头，需直行至建元路与元朔路十字调头。

进站贵宾车辆从明光路或尚新路均可进入，沿基本站台边的坡道上基本站台，可达贵宾候车室及贵宾停车场，贵宾车辆下客后从站房东侧基本站台边的坡道经尚新路或尚贤路驶离广场。

进站：从明德门出发，长安南路一路往北，经凤城七路—未央路—凤城十二路，在文景路与凤城十二路的交叉口，按标识牌指示可到达西安北站。自尚新路进入西安北站的出租车及社会车辆，可通过东侧的进站高架匝道（ES匝道）进入二层高架停车平台，落客后车辆可进入西侧WS匝道驶离广场或分支匝道，下行至地面后进入出租候车站等候接客或进入地下车库。

出站：等候接客的出租车停留在地面停车场，按指挥进到广场边的斜列式上客区处接客后从站区内部道路上的出口出来，可经尚新路驶离站区。

西安北站地区是《2013西安市政府工作报告》中确定的全市七大城市综合改造片区之一，同时作为西咸一体的重要承载地和北部新城的核心区域，也是重要的交通枢纽和城市门户。为打造全国性交通枢纽和西安北部地区商业商务中心。

西安北站地区规划建设长途汽车站、大型地下停车场，将满足车辆停放和运输旅客；并贯通西安地铁2号线（至长安区）、4号线（至航天基地）、13号线（市域快线，至临潼工业组团）、15号线（市域快线，至西安咸阳国际机场）等4条轨道交通线路；以北客站及南、北广场为中心，建设一条环形城市轻轨。

西安北站是西安市最大的地标性建筑，是集铁路、公路、城市交通于一体的现代化大型铁路客运车站，与地铁、公交、出租车、私家车、长途汽车等交通工具实现了“零换乘”。

西安北站的建成投用，有利于西安城市建设、促进西咸经济一体化和“一线两带”的构架形成，同时随着中国高速铁路网的逐步完善及郑西、西宝、大西、西成、西银和关中城际铁路的先后引入，将让西安与全国各大城市形成“一日交通圈”，从西安出发1小时内到达宝鸡、汉中，2小时内到达郑州、兰州、太原，3小时内到达成都，4小时内到达武汉，4个半小时内到达北京，5小时内到达重庆，6个小时到上海。

西安北站是西安旅游的城市转换节点，其便捷的换乘系统，为汉城国家遗址公园、大明宫国家遗址公园等文化旅游区输送大量旅游人群，其巨大客流量也成为支撑北客站区域商贸、旅游原动力。随着关中城市群铁路网的建设、基础设施的加速完善和重大项目的引进，西安北站地区的城市综合承载力日益增强并产生人流、物流和资金流的富集效应，将崛起为一座集商贸、餐饮、文化、休闲、会展、物流为一体的现代化新城。