1908年，随着津浦铁路北段在天津西站的奠基，一站台作为国际通关的重要站点开始建设。
1993年1月，天津西站的改建工程正式启动，历经两年多的努力，于1995年底顺利完成。此次改造的核心内容是对一站台的采光设施进行升级，增设了雨篷并提升了站台高度。同时，对站内的照明设备、地面设施进行了全面维护，地下消防系统和商场设施也得到了相应的改造和完善。
2003年，天津市政府再次投入大量资金，共计766万元，对天津西站进行了大规模的修缮。这次重点仍是优化一站台的采光和建设，增设了雨棚并增高站台，以适应铁路大提速的需要。改造后的站台，所有五个站台都安装了无柱雨篷，为乘客提供了更宽敞、明亮的上下车环境，使得乘客可以无障碍进出。站台高度的提升，使得站台与列车车门齐平，消除了以往乘客登梯上车的不便。
天津西站是天津现代化水平最高的交通枢纽，占地面积约68万平方米，站房主体结构为地上2层、地下3层，建筑总面积达18万平方米，车场总规模为24台24线。通过地下直径线与天津站紧密相连；站区内还设有长途客运站、两个公交首末站和大型停车场，30余条公交线路在西站设站。西站实现了铁路、公交、地铁、出租、长途客运等多种交通运输方式的“零换乘”，成为天津最大的现代化交通枢纽。新天津西站，已和北京南、济南西、南京南、上海虹桥站一起成为京沪高铁线路上的五大始发站，具备始发和终到功能。