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  西直門站的2號線、4號線車站同時建於1970年代,西直門地鐵站最初屬於北京地下鐵道二期工程,2號線車站於1984年9月20日北京地鐵二期工程(即北京地鐵2號線自復興門站,經西直門站、東直門站至建國門站區段)正式通車時投入運營。二期工程西直門站建設時為當時規劃的3號線預留了完整的車站,後來由於規劃調整,預留車站作為4號線車站於2009年9月28日隨北京地鐵4號線正式開通投入使用。13號線車站於2002年9月28日隨北京地鐵13號線西段線路(西直門站至霍營站區段)開通投入運營。

  西直門站的2號線、4號線車站位於西直門外大街-西直門內大街與西直門南大街-德勝門西大街(二環路)、西直門北大街、交匯處的西直門立交橋區地下。2號線車站沿二環路呈南北向佈置,4號線車站沿西直門外大街呈東西向佈置,兩線車站呈“十”字形交叉。13號線車站在2號線、4號線車站西北側,位於國鐵北京北站的西側,毗鄰西環廣場之間,為南北縱向盡端式高架車站,呈大致偏向西北–東南向佈置。

  西直門站為2、4、13號線三條線路的換乘車站。

  2號線和4號線車站均為地下車站,2號線車站在上,4號線車站在下,均為端頭廳島式站臺設計。站臺中部有兩線之間換乘樓梯,兩線車站4個端頭廳通過四段通道相連形成環形換乘通道,並連線四個方向的地面出入口,在環形通道西北方向連線位於地下一層的換乘大廳通向13號線車站。  13號線車站為地上三層高架車站,站臺層在地上三層,為兩島一側三線站臺,西班牙式佈局,由其它兩條線路轉乘13號線(始發)的旅客上到中間的島式站臺,而由13號線(終到)到來的旅客則在兩邊的側式站臺下車出站或換乘,地上二層為站廳層,地面首層為出入口。13號線車站站臺通過連續通道連線位於地下一層的換乘大廳,再與2號線、4號線車站由換乘通道相連。13號線車站內有一卡通充值/退卡點。 由於2號線和13號線都是早期建成的地鐵線路,在開通投入使用時站臺都沒有安裝遮蔽門,只有4號線車站開通投入使用時站臺安裝了遮蔽門。13號線、2號線西直門站分別在2013年、2017年安裝啟用了半高安全門。  地鐵2號線西直門站內環、外環站臺分別裝飾有名為《燕山長城圖》和《大江東去圖》的壁畫,這兩幅壁畫均由張仃主持設計。

  西直門站可以在2號線、4號線和13號線之間換乘。13號線車站同2號線、4號線車站之間換乘距離很長,2號線同4號線車站之間換乘距離較近。早期由於與13號線車站換乘通道建設滯後,換乘需繞行,曾有過最“複雜”換乘站的名聲。  西直門站最初13號線與2號線之間換乘需出站到地面再由出入口進站,故兩站間換乘當作兩段車程,乘客需另繳費。 2號線與13號線換乘的通道是2008年建成的(當時地鐵4號線未開通),啟用地下一層換乘大廳,自此西直門站2號線換13號線才能在站內換乘。自2009年9月1日開始,為配合地鐵4號線開通運營,13號線換乘2號線的路徑方向進行相應調整。 但由於客流量大,為了限流西直門部分換乘電梯被關閉。 2011年9月24日,地鐵西直門站在既有的兩條換乘通道基礎上再開通一條直接至換乘大廳新的換乘通道。至此,13號線換乘2號線、4號線時不再經地面,告別站外繞行,西直門站所有換乘都在站內進行。  2號線換乘4號線,由2號線站臺中部換乘樓梯直接下到4號線站臺,此換乘路徑最短。 4號線換乘2號線,由4號線東端站廳經過東南方向環形通道到達2號線南端站廳。 2、4號線換乘13號線,往西北方向通道到達地下一層換乘大廳,再進入13號線站廳,反之為13號線換乘2、4號線。 西直門站換乘客流巨大,另外由於2號線建設年代較早換乘通過能力不足,為引導乘客在換乘通道單向流動,換乘有方向限制,不得逆行,以免雙方向大客流相互衝擊。西直門地鐵站換乘比較複雜,客流量大時還要設立導流圍欄蛇形緩衝區,對於不熟悉的乘客感覺如同迷宮。

  2號線、4號線車站一共有5個出入口:A1、A2(西北)、B(東北)、C(東南)、D(西南)。  13號線車站有2個出入口:E(北)、F(南)。
西直門站是中國北京地鐵的一個轉乘站,有2號線、4號線和13號線交會,車站編號是201(在2號線上)和1301(在13號線上)。4號線在西直門站下穿2號線,在其西北側是13號線起止站。此站地處北京市西城區西直門,因所在地是原北京內城西直門原址而得名。這座地鐵車站為西直門交通樞紐的一部分。