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接两大车站，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，采用三角形广场，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，正式采用了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，计划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复。
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“一年准备，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、地铁预埋 、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、连接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，标志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，由于北京西站的日发送列车设计能力远远不能满足春运高峰期间的实际列车发送量，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，包括改善采光设施、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年已经提出的连接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。
2020年1月9日，北京西站官方微博发布公告称，为方便旅客出行，提高出行效率，自2020年1月10日起，北京西站将实现铁路、地铁安检互认，换乘旅客只需一次安检。