站房南北向長550米，東西向寬440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，這一圈高架道路環繞北站，全長達到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、大車流旅客進站需要，極大地方便了自駕車旅客和社會車輛就近到達高架候車室，設計極具人性化特點，旅客下車后可直接到達高架候車室進站上車。
作為現代化的客運大站，西安北站采用上進下出的設計思路，社會車輛、出租車及公交車的進出站流線清晰，高架匝道站內旅客流線采用“上進下出”的集散方式，實現了進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計為出發層2F、出發層1F、到達層B1和地鐵站臺層等4個主要層面，地上兩層，地下兩層，另外，在2F層上還設有商業夾層。
出發層1F，為旅客主要進站口。設置有進站大廳、候車廳、貴賓候車廳和基本站臺，開通一期將會有14對高鐵從這里開出。站房四個角設置有4個售票處，一期開放南側兩個售票處。乘坐公交車以及地鐵到達的旅客，可直接由出發層1F進口安檢后進入北站，通過六部自動扶梯將旅客直接輸送到2F高架候車層。
出發層2F為旅客的主要候車區域，東西主入口兩側設置有4個售票處。乘坐社會車輛和出租車的旅客可由出發層2F兩側東西主入口進站，旅客進站后可到位于進口兩側的售票處購票，然后根據PDP屏上顯示的信息到相應檢票口區域候車檢票。
2F夾層位于2F層四個角上方，主要為商業餐飲區域。區域面積達到1.7萬平方米，引進了麥當勞、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、工藝品展示、旅行社等，為旅客購物、休閑、餐飲、觀光提供服務。
到達層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，南北向分別設有五個出站通道，共計有112組出站閘機。中間為地鐵付費區，高鐵到達換乘地鐵旅客可由出站通道進入地鐵付費區，購票后到負二地鐵層乘坐地鐵。換乘公交或出租車旅客可由南北市政通道進入廣場地下停車場乘坐公交或出租車。地鐵到達換乘高鐵旅客通過南北出口進入1F出發層或2F出發層。
西安北站還采用了大量的先進設備和技術，配備了智能消防、智能照明以及環保吸音、吸光、自動售票、客服系統等先進的設備設施。
清晰顯著的動靜態標識使旅客明確了解車站布局，并根據需求準確了解自己所去方位的路線。特別是配備了國內先進的客服系統，為旅客提供自助查詢、問訊、購票、檢票等服務。
站內設有自動售票機58臺，預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。
全站設有檢票口36個共計152臺自動檢票機，自動完成旅客車票的驗證和記錄。北站配有先進的客服集成管理平臺，先進的綜控室確保北站各項作業按照計劃自動完成廣播、導向、檢票等執行。
全站共設置監控攝像頭372個，全方位、全天候、全視角保證站區處于安全監控狀態。這些高科技設備將會為旅客提供方便快捷的自助式服務。