站房南北向长550米，东西向宽440米；站房由地下2层（地下通道和地铁站）和地上2层（高架候车层和站台层）共4层组成；
站房的周边有一圈高架匝道，这一圈高架道路环绕北站，全长达到1500米，南北向与多条辅道相连，匝道宽度18米，落客平台宽度16米，确保了多方向、大车流旅客进站需要，极大地方便了自驾车旅客和社会车辆就近到达高架候车室，设计极具人性化特点，旅客下车后可直接到达高架候车室进站上车。
作为现代化的客运大站，西安北站采用上进下出的设计思路，社会车辆、出租车及公交车的进出站流线清晰，高架匝道站内旅客流线采用“上进下出”的集散方式，实现了进站客流和出站客流互不干扰、立体分离，保证了旅客集散方便快捷。
西安北站主体功能建筑设计为出发层2F、出发层1F、到达层B1和地铁站台层等4个主要层面，地上两层，地下两层，另外，在2F层上还设有商业夹层。
出发层1F，为旅客主要进站口。设置有进站大厅、候车厅、贵宾候车厅和基本站台，开通一期将会有14对高铁从这里开出。站房四个角设置有4个售票处，一期开放南侧两个售票处。乘坐公交车以及地铁到达的旅客，可直接由出发层1F进口安检后进入北站，通过六部自动扶梯将旅客直接输送到2F高架候车层。
出发层2F为旅客的主要候车区域，东西主入口两侧设置有4个售票处。乘坐社会车辆和出租车的旅客可由出发层2F两侧东西主入口进站，旅客进站后可到位于进口两侧的售票处购票，然后根据PDP屏上显示的信息到相应检票口区域候车检票。
2F夹层位于2F层四个角上方，主要为商业餐饮区域。区域面积达到1.7万平方米，引进了麦当劳、肯德基、大娘水饺、名典咖啡、上岛咖啡等著名餐饮品牌以及陕西特产、工艺品展示、旅行社等，为旅客购物、休闲、餐饮、观光提供服务。
到达层B1为旅客出站层，为铁路和地铁共用，并兼做市政南北大通道。铁路出站通道在东西两侧，南北向分别设有五个出站通道，共计有112组出站闸机。中间为地铁付费区，高铁到达换乘地铁旅客可由出站通道进入地铁付费区，购票后到负二地铁层乘坐地铁。换乘公交或出租车旅客可由南北市政通道进入广场地下停车场乘坐公交或出租车。地铁到达换乘高铁旅客通过南北出口进入1F出发层或2F出发层。
西安北站还采用了大量的先进设备和技术，配备了智能消防、智能照明以及环保吸音、吸光、自动售票、客服系统等先进的设备设施。
清晰显著的动静态标识使旅客明确了解车站布局，并根据需求准确了解自己所去方位的路线。特别是配备了国内先进的客服系统，为旅客提供自助查询、问讯、购票、检票等服务。
站内设有自动售票机58台，预留有银行卡接口和二代身份证识别模块接口，支持市面上流通的5元以上面额的人民币支付售票。
全站设有检票口36个共计152台自动检票机，自动完成旅客车票的验证和记录。北站配有先进的客服集成管理平台，先进的综控室确保北站各项作业按照计划自动完成广播、导向、检票等执行。
全站共设置监控摄像头372个，全方位、全天候、全视角保证站区处于安全监控状态。这些高科技设备将会为旅客提供方便快捷的自助式服务。