W latach 50. od północnej strony stacji wybudowano terminal przeładunkowy przy ulicy Ordona.
Po wojnie zabudowa stacji była traktowana jako prowizoryczna. W połowie lat 60. planowano modernizację dworca wraz z budową nowego budynku dworca i nastawni. W 1965 ogłoszono konkurs, ale ostatecznie zrealizowano tylko wieżę nastawni, starą nastawnię przeznaczając na potrzeby gospodarcze. Dopiero w latach 70. XX w. połączono perony tunelem podziemnym z przystankiem Warszawskiej Kolei Dojazdowej, a w roku 1980 zintegrowano z Dworcem Autobusowym.
16 czerwca 2011 PKP i słowackie przedsiębiorstwo HB Reavis podpisały umowę na budowę nowego budynku dworcowego wraz z kompleksem biurowców West Station w ramach partnerstwa publiczno-prywatnego.
20 maja 2012 pobliski przystanek Warszawa Wola na linii obwodowej został formalnie włączony do stacji Warszawa Zachodnia jako peron nr 8. Od 19 grudnia 2021 nosi numer 9.
Pod koniec 2014 roku rozpoczęto budowę dworca po południowej stronie stacji (od strony Alei Jerozolimskich). 9 grudnia 2015 dworzec ten został otwarty.