北京北站原名西直门站（也称西直门火车站），站址在北京市西城区的西直门，位于西直门立交桥的西北角，临近西直门交通枢纽。北京北站距通辽站836公里，距包头站809公里。
西直门车站是中国自主设计建造的第一条干线铁路--京张铁路（北京丰台柳村至张家口）上的车站。1905年京张铁路西直门车站动工，1906年8月竣工。由中国著名的铁路设计师詹天佑亲自设计和监造的。1988年西直门火车站改名北京北站。2005年北京北站改造工程动工，2009年1月北京北站新的主站房正式投入使用。原车站旧式主站房被北京市文物局定为北京市二级文物，将被长期保留。
北京北站隶属北京铁路局管辖，隶属北京西站管理。现为一等站。承担京通线铁路、京包线铁路列车以及北京―延庆S2线动车组列车始发。客运：办理旅客乘降；行李、包裹托运。货运：办理整车、零担货物发到。
1905年12月12日，京张铁路西直门车站动工，1906年8月西直门车站包括主站房、站台、天桥、机车库和宿舍等设施。1909年北京丰台至张家口的京张线铁路通车，西直门车站正式投入运营。当时称作“京张铁路西直门车站”。
1923年京张线铁路向西延伸至绥远，西直门车站改称平绥铁路西直门车站。在北京北站旧站房上写着：“平绥铁路西直门车站”，是北京北站在1927年到1949年使用的名字。
1988年西直门火车站改名北京北站。
2005年，北京北站开始改造站台，2007年新建北京北站六层主站房，2008年12月竣工，2009年1月17日新建北京北站主站房正式启用。
北京北站改造工程于2005年动工，工程主要包括站房扩建以及与北京站、北京西站相类似的大跨度无站台柱雨棚工程，站台、铁道线路和行车信号的改造。2009年1月17日新的北京北站正式投入使用。改造后的北京北站，售票大厅和候车室都将设在西区的南侧。站台整体南北走向，主站房在站台的尽头，在车站的南侧。呈南北纵向尽端式铁路站场。北京北站主站房改造后的北京北站候车大厅所在的大楼地面以上为6层，地下两层，高31.5米，建筑面积2万平方米。地面一层以及地下一层供旅客候车使用，设有候车厅、售票处，与西直门交通枢纽相通，临近地铁2号线、地铁4号线和13号线出入口，可与北京地铁、城铁换乘。地上二至五层为办公用，地下二层为设备用。新房站楼一共有三个售票大厅，分别位于地面一层的右侧，和地下一层的东西两边，共有24个窗口。北京北站新站房比老站房向南延伸更接近西直门立交桥以及西直门交通枢纽。
南北纵向尽端式站场改建后的北京北站共有11个站台，站台有效长度由原来的377米延长到550米。站台采用大理石铺面，站台高度由原来的70厘米提高到125厘米，方便旅客上下车。铁道线路将全部采用国产每米50千克级高强度、高平直度无缝钢轨，使用国产II型钢筋混凝土轨枕，替代原来使用的木枕，提高客车运行的稳定性和舒适度。行车信号设备全部采用新型计算机集中连锁，提高车站的自动化、智能化控制能力，从而增加列车运行的安全系数。
北京北站改造完工后，接发车能力可由现在的11对提高到17对，高峰时期可达到22对。新北京北站日发送旅客是老北京北站的5倍。有开至赤峰、包头、通辽、滦平、阜新和呼和浩特及八达岭长城等地的列车。