2009年2月4日，天津西站启动了京沪高速铁路的改造工程，这座历史悠久的车站迎来了全面的革新。新天津西站集成了京津城际、京沪、津保、津秦四条高速铁路，打造了一个铁路、公交、地铁、出租车、长途客运的“零换乘”系统。地下直径线连接了天津西站与天津站，构建了一个包含客运专线、快速铁路、城市轨道和道路交通在内的现代化大型综合交通枢纽。
2011年，随着新站的建成，多种交通方式的无缝对接成为了可能，天津西站成为了一个集高速铁路、城际铁路、普速铁路、城市轨道交通、长途客运和公交车于一体的大型综合交通枢纽。作为京沪高铁的重要始发站，天津西站启用后，原有的天津地铁一号线西站也恢复运营并增设了出入口。铁路线路包括京津城际、京沪、津保、津秦，且各有其专用线路，如京沪高速铁路的津沪联络线、津秦客运专线的引入等。
地铁方面，地铁一号线已开通，地铁四、六号线规划通过天津西站，与地铁一号线在南广场形成“H”型换乘布局。天津站至天津西站的地下直径线全长5.2公里，通过海河隧道连接两大车站，为旅客提供了高效便捷的交通途径。
新建的站房占地68万平方米，设计独特，采用圆拱形结构，寓意着天津城市发展的光明前景。站房内设施齐全，包括高架候车大厅、出站厅和出租车出站车道等。天津西站采用多层布局，上进下出，为旅客提供舒适的候车体验。南广场和北广场分别规划了集散广场、景观公园和交通设施，提升了城市交通的便利性和舒适度。
整个改造工程历时3年半，总投资约115亿元，涉及南广场、北广场、道路和轨道交通等配套工程，旨在打造一个功能齐全、设施完备的综合交通枢纽，极大地便利了市民和旅客的出行，提升了天津的交通服务水平。
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。