北京北站改造工程于2005年动工，工程主要包括站房扩建以及与北京站、北京西站相类似的大跨度无站台柱雨棚工程，站台、铁道线路和行车信号的改造。总投资1.1亿元。北京北站改造期间将部分列车挪到其他火车站停靠，北站完成运营磨合期后，北京西站和北京站部分通往西北方向的列车重新迁回停靠。

　　2009年1月17日新的北京北站正式投入使用。改造后的北京北站，售票大厅和候车室都将设在西区的南侧。北京北站主站房所在的大楼地面以上为6层，地下两层，高31.5米，建筑面积2万平方米。改造后的北京北站候车大厅地面一层以及地下一层供旅客候车使用，设有候车厅、售票处，与西直门交通枢纽相通，临近地铁2号线、地铁4号线和13号线出入口，可与北京地铁、城铁换乘。地上二至五层为办公用，地下二层为设备用。新房站楼一共有三个售票大厅，分别位于地面一层的右侧，和地下一层的东西两边，共有24个窗口。

　　改建后的北京北站共有11个站台，站台有效长度由原来的377米延长到550米。站台采用大理石铺面，站台高度由原来的70厘米提高到125厘米，方便旅客上下车。铁道线路将全部采用国产每米50千克级高强度、高平直度无缝钢轨，使用国产II型钢筋混凝土轨枕，替代原来使用的木枕，提高客车运行的稳定性和舒适度。行车信号设备全部采用新型计算机集中连锁，提高车站的自动化、智能化控制能力，从而增加列车运行的安全系数。