2007年，北京北站站房新建工程正式开启，新站房高六层。

2008年12月，北京北站站房新建工程竣工。

2009年1月17日，北京北站新站房正式启用。

2016年11月1日，受到京张高速铁路施工的影响，北京北站停办客运业务，除北京市郊铁路S2线市内始发、终到站迁移至黄土店站外，其它客运业务转移至昌平北站。

2019年12月10日，中国铁路北京局集团有限公司公布了沿线北京北站、崇礼铁路太子城站的车站图片。

2019年12月30日，在停运三年后，北京北站正式恢复运营，首发列车于8时30分始发。开通运营后，北京和张家口两地间的“轨道交通时间”将从3小时压缩至50分钟左右。

2020年9月30日，北京北站市郊铁路怀柔-密云线正式开通运营。怀柔-密云线服务范围将覆盖西城区、海淀区、昌平区、怀柔区、密云区五区，运营总里程144.6公里。

原西直门车站东西方向被高梁河、护城河环绕，站北有大片芦苇塘。车站平面近似矩形，主站房面积2300平方米，车站正面入口为三孔外券廊，朝站台一面也用连廊，站台为并列式，旅客进站方向与站台垂直，建有跨越铁道的铁架天桥，站房建筑为西方古典风格，是中国铁路发展史上的重要实物例证。在北京北站新站房正式启用后，于清宣统元年（1909年）建成的旧式主站房作为平绥铁路西直门站旧址被作为文物予以保留。

北京北站建筑面积2.14万平米，高度31.5米，站台有效长度由原来的377米延长到550米，其站台采用大理石铺面，有效长度由原来的377米延长到550米，由原来的70厘米提高到125厘米。车站内铁轨全部采用国产每米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。

北京北站主站房在站台南端尽头，呈南北纵向尽端式铁路站场，分为地上六层、地下两层。其中，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。车站连通西直门交通枢纽，地下可与地铁2号线、4号线、13号线换乘。地上二至五层为办公用，地下二层为设备用。

北京北站的候车室都将设在西区的南侧，车站共有三个售票大厅，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。

截至2019年12月，北京北站站台规模为6台11线，站台整体南北走向，主站房在站台的尽头，位于车站的南侧。北京北站的途经线路有京包铁路、京张高速铁路。

北京北站的售票厅位于车站站房的右侧，内有自助购取票机3台。

北京北站的公安制证窗口位于北京北站售票大厅内，旅客可在该窗口办理办理临时身份证明。

2016年暑运，北京北站及北京西站共发送旅客543.6万余人次。

北京北站改造完工后，预计接发车能力由原先的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预计是老北京北站的5倍。

2021年2月7日，北京北站发送旅客0.39万人次。

2023年4月28日，北京北站发送旅客2.18万人次。9月29日发送2.88万人次。

2024年2月8日，北京北站发送旅客3.17万人次，创开通运营以来新高。4月4日发送3.77万人次。5月1日发送4.2万人次。

北京北站设置有轨道交通站，途经的线路有北京地铁2号线、北京地铁4号线、北京地铁13号线。

注：前往其他火车站

前往北京站：西直门站乘坐北京地铁2号线至北京站。

前往北京西站：西直门站乘坐北京地铁4号线到达国家图书馆站，同台换乘北京地铁9号线至北京西站。

前往北京南站：西直门站乘坐北京地铁4号线至北京南站。

北京北站附近的主要公交站点有位于北站东侧的西直门北公交站、位于北站西南方的地铁西直门站公交站、位于北站东北角的索家坟公交站、位于北站东南角西直门公交站。

按照《北京城市总体规划（2004年-2020年）》，北京北站是北京“五主铁路枢纽”（北京站、北京西站、丰台站、北京南站和北京北站）之一。北京北站除了现有的普速列车始发终到作业外。

2024年，北京市实施《北京地区重点火车站优化提升工作方案》，其中提到：北京北站加快推进西直门北地面公交规划场站落地。