1934年12月，西安站始建，建站初期有到發線6條，牽出線1條，站臺兩座，票房為一座大屋頂歇山式仿古宮殿型站房，磚牆、琉璃瓦頂，雕樑畫棟，中廳縱空，四周為二層環樓，樓上用於辦公，樓下為售票室、行包房及候車廳。

1935年6月1日，隴海鐵路潼（關）西（安）段修通，在西安舉行通車典禮，車站定名為“西安車站”，為一等站。1937年，西安車站更名為長安站。1952年1月1日，西安站名稱恢復。

1984年6月，西安車站改建工程開工。1985年12月，車站改建第一期工程主樓竣工。1988年8月1日，西安站由一等客運站升格為特等客運站，車站客運西配樓竣工並投入使用。1990年10月1日，西安站東配樓售票廳和辦公樓交付使用。至此，為期6年的改建工程完成。

2005年，經原鐵道部批准，將原鄭州鐵路局下轄的原西安鐵路分局和原安康鐵路分局合併，成立原西安鐵路局，車站改隸至原西安鐵路局。2014年7月，西安站開始進行擴建，整改擴建工期五年。

2016年07月30日，西安站擴建工程全面啟動。預計2020年西安站北站房、北廣場將投入運營。預計2022年西安站將全面建成運營。

2020年11月初，西安火車站第一候車室和第三候車室改造後投入使用。