西直门站是 北京市文物保护单位 ，也是中国自主设计建造的第一条干线铁路—— 京张铁路 （ 丰台区 柳村至 张家口市 ）的重要车站，位于北京市西城区西直门外北滨河路1号，东西方向被 高梁河 、 护城河 环绕，站北有大片芦苇塘。车站主体建筑、月台、连接两个月台的过街天桥均为 詹天佑 设计。
西直门站竣工于1906年8月，在首段线路（丰台一南口）通车三年后，1909年10月2日，京张铁路全线通车。在通车初期，京张方向的乘客大多由此站上车，故车站周边商旅辐集；民国时代和解放后都进行过扩建，增加站台、货场面积及驼峰。民国十二年（1923年）， 京张铁路 通至 绥远省 ，当时 北京市 叫“ 北平市 ”，故更名称“ 京包铁路 ”，西直门车站改称平绥铁路西直门车站。
1995年， 平绥铁路 西直门站旧址成为第五批 北京市文物保护单位 。2021年，位于 西城区 的平绥西直门车站附属建筑群，并入平绥西直门车站旧址，纳入到 北京 第九批市级文物保护单位。西直门车站平面近似矩形，主站房面积2300平方米，车站正面入口为三孔外券廊，朝站台一面也用连廊，站台为并列式，旅客进站方向与站台垂直，建有跨越铁道的铁架天桥，站房建筑为西方古典风格，是 国铁集团 发展史上的重要实物例证。
西直门站在2005年改造之前共有7条到发线，分别为东1道、东2道、西1~5道；除此之外，还有3条客车存车线、7条货场线、5条货场货物线、10条专用线。在站场东北部设有机务折返段，段内曾保留近百年前的 机车 库及水塔，西直门折返段最初为独立的机车房，后来曾并入丰台机务段，最终归属南口机务段。2005年站段整合后，属于怀柔北机务段的折返点。在2006年以前，车站道岔都是原始的手动道岔，老站房、雨棚、天桥以及机务段的水塔、车库等老设施都还在发挥着作用，直到新西场 建成使用，西直门站的老站房、雨棚和天桥作为文物保留，其他老建筑及线路已逐渐消逝。
位置
西直门站的2号线、4号线车站位于 西直门外大街 西直门内大街 与西直门 南大街 德胜门西大街（ 北京二环路 ）、西直门北大街、交汇处的 西直门桥 区地下。2号线车站沿二环路呈南北向布置，4号线车站沿 西直门外大街 呈东西向布置，两线车站呈“十”字形交叉。13号线车站在2号线、4号线车站西北侧，位于国铁 北京北站 的西侧，毗邻西环广场之间，为南北纵向尽端式 高架车站 ，呈 西北– 东南向布置。
结构
西直门站的2号线、4号线车站同时建于1970年代，西直门站最初属于 北京地铁1号线 二期工程，2号线车站于1984年9月20日 北京地铁 二期工程正式通车时投入运营。二期工程西直门站建设时为当时规划的3号线预留了完整的车站，后来由于规划调整，预留车站作为4号线车站随4号线开通投入使用。
2号线和4号线车站均为地下车站，2号线车站在上，4号线车站在下，均为端头厅岛式站台设计。站台中部有两线之间换乘楼梯，两线车站4个端头厅通过四段通道相连形成环形换乘通道，并连接四个方向的地面出入口，在环形通道西北方向连接位于地下一层的换乘大厅通向13号线车站。
13号线车站为地上三层 高架车站 ，站台层在地上三层，为两岛一侧三线站台， 西班牙 式月台布局，由其它两条线路转乘13号线（始发）的旅客上到中间的岛式站台，而由13号线（终到）到来的旅客则在两边的侧式站台下车出站或换乘，地上二层为站厅层，地面首层为出入口。13号线车站站台通过连续通道连接位于地下一层的换乘大厅，再与2号线、4号线车站由换乘通道相连。
由于2号线和13号线都是早期建成的地铁线路，站台都没有安装屏蔽门（半高形式），只有4号线车站开通投入使用时站台安装了屏蔽门。13号线西直门站在2013年开始安装半高安全门。
地铁2号线西直门站装饰有两幅名为《燕山长城图》和《大江东去图》的壁画。
换乘
西直门站可以在2号线、4号线和13号线之间换乘。13号线车站同2号线、4号线车站之间换乘距离很长，2号线同4号线车站之间换乘距离较近。早期由于与13号线车站换乘通道建设滞后，换乘需绕行，曾有过最“复杂”换乘站的名声。
西直门站最初13号线与2号线之间换乘需出站到地面再由出入口进站，故两站间换乘当作两段车程，乘客需另缴费。 2号线与13号线换乘的通道是2008年建成的（当时 地铁4号线 未开通），启用地下一层换乘大厅，自此西直门站2号线换13号线才能在站内换乘。自2009年9月1日开始，为配合 地铁4号线 开通运营，13号线换乘2号线的路径方向进行相应调整。但由于客流量大，为了限流西直门部分换乘电梯被关闭 。2011年9月24日，地铁西直门站在既有的两条换乘通道基础上再开通一条直接至换乘大厅新的换乘通道。至此，13号线换乘2号线、4号线时不再经地面，告别站外绕行，西直门站所有换乘都在站内进行。
2号线换乘4号线，由2号线站台中部换乘楼梯直接下到4号线站台，此换乘路径最短。 4号线换乘2号线，由4号线东端站厅经过东南方向环形通道到达2号线南端站厅。 2、4号线换乘13号线，往 西北 方向通道到达地下一层换乘大厅，再进入13号线站厅，反之为13号线换乘2、4号线。西直门站换乘客流巨大，另外由于2号线建设年代较早换乘通过能力不足，为引导乘客在换乘通道单向流动，换乘有方向限制，不得逆行，以免双方向大客流相互冲击。西直门地铁站换乘比较复杂，客流量大时还要设立导流围栏蛇形缓冲区，对于不熟悉的乘客感觉如同 迷宫 。
出入口
2号线、4号线一共有5个出口：A西北（分为A1、A2）、B东北、C东南、D西南。
13号线有2个出口：E、F。
首末车时间
2号线
内环：5:34-22:42
外环：5:10-22:15（全程）-23:00（终点站 积水潭站 ）
13号 线
开往东直门：5:35-22:42（全程，终点站 东直门站 ）-23:45（终点站 霍营站 ）
京港地铁 4号线
开往安河桥北：5:35-23:35
开往天宫院：5:25-22:45（全程，终点站 天宫院站 ）-23:10（终点站 公益西桥站 ）-次日00:45（终点站新宫站）-次日01:20（终点站 宣武门站 ）
温馨提示：为配合春运，2月2日起至2月27日止，4号线每天将延长运营90分钟。 安河桥北站 首车时间提前30分钟。
周边公交线路
西直门地铁站周边分布着许多公交车站，有许多公交线路在此设站。其中，地铁西直门站（公交车站）位于 北京地铁13号线 西直门站西侧的高梁桥路上，西直门北站位于 北京北站 前面， 西直门桥 的西北角，这两个公交车站是距离13号线最近的两个车站。西直门站（公交车站）位于 北京二环路 的西侧，西直门桥的西南角，是距离地铁2号线、4号线出站口最近的车站。
地铁西直门站：16路（二里庄-西直门外）、26路（二里庄-西便门）、87路（定慧寺东-金五星百货城）、438路（西直门北-永丰公交场站）、651路（ 柳林村- 西直门）、特15路（西直门北- 国家体育馆 ）、 运通 105线（中苑宾馆-上地五街东口）、夜班车夜14路（ 北京西站- 国家体育馆）
西直门北站：375路（西直门北- 韩家川 ）、438路、632路（五彩城公交场站-五路）、特15路
西直门站：332路（地铁 北宫门站 前门西）、360路（ 香山- 西直门）、362路（ 西二旗站 西直门）、534路（中央党校北门-西直门）、563路（香山公园东门-西直门）、632路、651路、运通106线（中央党校北门-田村北路）、夜班车夜8路（小马厂- 颐和园 ）、夜班车夜21路（ 北京站 东-西直门）
西直门外站：7路（动物园枢纽站-五间楼）、16路、26路、27路（五路-安定门外）、87路、105路（ 白石桥 东-天桥）、111路（白石桥东-崇文门内）、332路、347路（ 新街口 豁口-八大处）、360路、362路、534路、563路、632路、 运通 104线（金庄- 来广营乡 北）、运通105线、运通106线、夜班车夜8路、夜班车夜14路
西直门南站：21路（安华桥北- 北京西站 ）、44路内环（北官厅-北官厅）、44路外环（新街口豁口-新街口豁口）、80路（金五星百货城- 小红庙 ）、84路（ 北京南站 北土城公交场站）、387路（ 北京西站 慧忠路东口）、392路（ 西二旗站 北京北站 西直门南）、490路（宝盛里小区- 阜成门内 ）、606路（轮胎厂 中路- 月坛体育场）、618路（ 回龙观地区 公交场站-月坛体育场）、691路（韩庄子北- 索家坟 ）、693路（育新小区-阜永路口西）、694路（嘉铭园-怡海花园西门）、特12路内环（左安路-左安路）、特12路外环（ 永定门长途汽车站 - 永定门长途汽车站）、夜班车夜20路外环（北官厅-北官厅）
西直门内站：7路、105路、111路