站房南北向長550米，東西向?qū)?40米；站房由地下2層（地下通道和地鐵站）和地上2層（高架候車層和站臺層）共4層組成；
站房的周邊有一圈高架匝道，這一圈高架道路環(huán)繞北站，全長達(dá)到1500米，南北向與多條輔道相連，匝道寬度18米，落客平臺寬度16米，確保了多方向、大車流旅客進(jìn)站需要，極大地方便了自駕車旅客和社會(huì)車輛就近到達(dá)高架候車室，設(shè)計(jì)極具人性化特點(diǎn)，旅客下車后可直接到達(dá)高架候車室進(jìn)站上車。
作為現(xiàn)代化的客運(yùn)大站，西安北站采用上進(jìn)下出的設(shè)計(jì)思路，社會(huì)車輛、出租車及公交車的進(jìn)出站流線清晰，高架匝道站內(nèi)旅客流線采用“上進(jìn)下出”的集散方式，實(shí)現(xiàn)了進(jìn)站客流和出站客流互不干擾、立體分離，保證了旅客集散方便快捷。
西安北站主體功能建筑設(shè)計(jì)為出發(fā)層2F、出發(fā)層1F、到達(dá)層B1和地鐵站臺層等4個(gè)主要層面，地上兩層，地下兩層，另外，在2F層上還設(shè)有商業(yè)夾層。
出發(fā)層1F，為旅客主要進(jìn)站口。設(shè)置有進(jìn)站大廳、候車廳、貴賓候車廳和基本站臺，開通一期將會(huì)有14對高鐵從這里開出。站房四個(gè)角設(shè)置有4個(gè)售票處，一期開放南側(cè)兩個(gè)售票處。乘坐公交車以及地鐵到達(dá)的旅客，可直接由出發(fā)層1F進(jìn)口安檢后進(jìn)入北站，通過六部自動(dòng)扶梯將旅客直接輸送到2F高架候車層。
出發(fā)層2F為旅客的主要候車區(qū)域，東西主入口兩側(cè)設(shè)置有4個(gè)售票處。乘坐社會(huì)車輛和出租車的旅客可由出發(fā)層2F兩側(cè)東西主入口進(jìn)站，旅客進(jìn)站后可到位于進(jìn)口兩側(cè)的售票處購票，然后根據(jù)PDP屏上顯示的信息到相應(yīng)檢票口區(qū)域候車檢票。
2F夾層位于2F層四個(gè)角上方，主要為商業(yè)餐飲區(qū)域。區(qū)域面積達(dá)到1.7萬平方米，引進(jìn)了麥當(dāng)勞、肯德基、大娘水餃、名典咖啡、上島咖啡等著名餐飲品牌以及陜西特產(chǎn)、工藝品展示、旅行社等，為旅客購物、休閑、餐飲、觀光提供服務(wù)。
到達(dá)層B1為旅客出站層，為鐵路和地鐵共用，并兼做市政南北大通道。鐵路出站通道在東西兩側(cè)，南北向分別設(shè)有五個(gè)出站通道，共計(jì)有112組出站閘機(jī)。中間為地鐵付費(fèi)區(qū)，高鐵到達(dá)換乘地鐵旅客可由出站通道進(jìn)入地鐵付費(fèi)區(qū)，購票后到負(fù)二地鐵層乘坐地鐵。換乘公交或出租車旅客可由南北市政通道進(jìn)入廣場地下停車場乘坐公交或出租車。地鐵到達(dá)換乘高鐵旅客通過南北出口進(jìn)入1F出發(fā)層或2F出發(fā)層。
西安北站還采用了大量的先進(jìn)設(shè)備和技術(shù)，配備了智能消防、智能照明以及環(huán)保吸音、吸光、自動(dòng)售票、客服系統(tǒng)等先進(jìn)的設(shè)備設(shè)施。
清晰顯著的動(dòng)靜態(tài)標(biāo)識使旅客明確了解車站布局，并根據(jù)需求準(zhǔn)確了解自己所去方位的路線。特別是配備了國內(nèi)先進(jìn)的客服系統(tǒng)，為旅客提供自助查詢、問訊、購票、檢票等服務(wù)。
站內(nèi)設(shè)有自動(dòng)售票機(jī)58臺，預(yù)留有銀行卡接口和二代身份證識別模塊接口，支持市面上流通的5元以上面額的人民幣支付售票。
全站設(shè)有檢票口36個(gè)共計(jì)152臺自動(dòng)檢票機(jī)，自動(dòng)完成旅客車票的驗(yàn)證和記錄。北站配有先進(jìn)的客服集成管理平臺，先進(jìn)的綜控室確保北站各項(xiàng)作業(yè)按照計(jì)劃自動(dòng)完成廣播、導(dǎo)向、檢票等執(zhí)行。
全站共設(shè)置監(jiān)控?cái)z像頭372個(gè)，全方位、全天候、全視角保證站區(qū)處于安全監(jiān)控狀態(tài)。這些高科技設(shè)備將會(huì)為旅客提供方便快捷的自助式服務(wù)。