北京南站的历史可追溯到1897年。1896年，清政府修建卢汉 （卢沟桥至汉口）铁路，1897年这条铁路由丰台接轨至马家堡，在距离永定门3公里的马家堡建造客货混运车站。
1902年，马家堡站更名为永定门站。此后的50多年时间里，永定门站一直作为北京去往上海和去往广州列车的始发站。
1957年，在距离永定门站以西1公里处修建了永定门客运站。
1988年，永定门站正式更名为北京南站。经停北京南站的列车，主要是开往河北、山东、山西等省一些城市的中短途慢车。
20世纪90年代末，随着老百姓生活水平的提高和黄金周制度的实行，外出旅游的旅客越来越多。1999年，北京南站开行了通往野三坡、云居寺等景点的郊游列车。
2006年5月9日晚，老北京南站最后一列火车——北京南站开往乌海西站的2141次旅客列车驶离车站，老北京南站从此退出历史舞台。
2006年5月10日，北京南站正式开始封站改造。
2008年8月1日，京津城际铁路开通，北京南站正式重新启用，成为中国首座高标准现代化的大型综合交通枢纽。
北京南站站房为双曲穹顶，外形为椭圆结构，远观似飞碟，从南北两个方向看，中央主站房微微隆起，东西两侧各有两跨钢结构雨篷，酷似横向拉伸的祈年殿。设计融入了古典建筑“三重檐”的传统文化元素。
北京南站主要建筑材料为银色的金属铝板，最高点标高40.0米，檐口高度20.0米。两侧雨棚为悬索形钢结构，钢结构雨篷呈灰白色调，中间嵌有通透采光玻璃，并通过不同规格的悬垂梁构成水波纹扇形形态，使整个雨篷形成跌落式的双曲面，与主站房屋面相呼应，最高点31.5米，檐口高度16.5米，面积达6万多平方米。
地上部分长轴500米，短轴350米；地下部分长轴397.1米，短轴332.60米。地上沿长轴方向两翼部分为各三跨钢结构通透雨篷，中间站房为椭圆形高大建筑，地上两层，地下三层。在站房屋顶中间轴线处设置天窗以获得自然采光。雨棚上方也大规模设置天窗。在地下层的墙面采用了一面红墙，对面是商业设施的白墙，突出对比效果。
北京南站主体共有5层，依次为：高架候车厅、站台轨道层、换乘大厅、地铁4号线和地铁14号线站台。地上2层，地下3层，站台位于地面层。高架候车层在地上二层，中央为独立的候车室，四个角设有售票办公楼，东西两侧是进站大厅，自北向南依次为各候车区，可容纳1.05万人同时候车。车站共设置了84台窗口售票机和39台自动售票机。检票进站全部由自动验票系统控制。
出发大厅位于地面二楼，占地3.5万平米，东西两侧各有23个检票口，两两相对。比如东侧1号检票口正对着西侧1号检票口，两个检票口之间的距离约50米。
地下一层换乘大厅和高架候车大厅均设有人工和自助售票系统，其中，位于高架候车厅四个角，各有一个上下两层的售票办公楼，可进行人工售票，旁边的自动售票系统还设有专供站台票销售的机器。
车站增设务工人员、学生售票窗口。在高架层和地下换乘层设置务工人员、学生团体票窗口。
高架候车厅和地下一层换乘大厅均能候车，高架候车大厅中央为候车席，从南到北依次为京津城际、京沪高铁、普铁三大区域，总计5000个座位，整个大厅可容纳万余名旅客同时候车。而地下一层椭圆形换乘大厅，沿中轴线分开，西侧的南北两端设有人工售票窗口和自动售票机，中间部分则是商店，可供旅客候车时购物。
旅客可以从高架候车大厅相应检票通道下楼进入站台，也可以从地下换乘层快速进站通道上楼，进入相应站台乘车（由于施工原因，后一种进站方式尚未启用，出站方向如蓝线所示）。北京南站开启地下7个快速进站通道，实现车站所有始发车次全覆盖，将地下换乘层旅客最快进站时间缩短至10分钟。京沪快速进站区位于地下换乘层东通道3号到达口南侧，京津城际快速进站厅位于地下换乘层东通道7号到达口北侧。
截至2017年9月，北京南站站台轨道层共设13个站台，24条到发线 ，3个客运车场。其中从北往南依次为：普速场设到发线5条、3座站台；高速场设到发线12条、6座站台；城际场设到发线7条、4座站台。
北京南站地面公交主要集中在北、南广场，永外幸福路三处，共有15条公交线路，其中常规线路12条，夜班线路3条。
地铁站厅位于地下1层综合换乘大厅中部，地下二层为4号线站台，地下三层为14号线站台。两线均采用岛式站台设计。4号线车站呈西北－东南走向，垂直于地面铁路；14号线车站呈西南－东北走向，平行于地面铁路。两线垂直交叉，站台中部的通过楼梯相连。
