天津西站老候车楼是中国铁路枢纽站中修建最早、保留最完整、规模最大的哥特式建筑，主站楼为砖木混合结构的三层建筑，占地面积930平方米，建筑面积2058平方米，建筑总重量约为5500吨。主站楼坐北朝南，正立面中部前凸，呈凸字形。该楼东西长37.24米，南北宽31.42米，高约25米，其中一层净高3米，二层大厅净高10.4米，其他部分5.4米，三层净高3.6米。
改建以后的天津西站设计以圆拱和放射状百叶形象表现光芒四射，寓意天津城市发展的美好前景和光辉未来。以向前倾斜的、充满动势的圆拱寓意着京沪高速铁路的建成使用，57米高面向广场的半圆形空间效果与结构结合，具有韵律感，通过表面肌理的处理，显得丰富而细腻，白色的编织网状屋顶钢结构，是天津市地标式建筑。
津西站占地面积约68万平方米，站房主体结构为地上二层、地下三层，建筑总面积达18万平方米，其中，站房面积10.4万平方米、雨棚面积7.6万平方米，车站设计年发送旅客2367万人次，最高聚集人数达5000人。天津西站站房为圆拱形结构，南北长380米，东西跨度126米，站房主体高57米，辅楼高20米；高架候车大厅绝对标高16.5米，东西面宽135米，南北进深336米，横跨铁路车场；地下一层为出站厅，东西两侧为出租车出站车道，候车平台长126米；中央24米通廊南北贯通。
