2003年11月，深圳市政府完成了《深圳市铁路第二客运站交通规划》，建议将新深圳站选址于深圳市龙华二线扩展区内。2005年，深圳市与铁道部分别完成了《国家铁路深圳地区布局规划》和《深圳铁路枢纽总图规划》，就新深圳站选址达成一致。2005年7至10月，深圳市政府与原铁道部提出深圳北站综合枢纽规划的初步方案。2007年6月，深圳市在原铁道部站房招标的基础上开展了北站枢纽工程可行性研究，同年11月铁路部门完成了铁路北站站房初步设计，并开始动工建设。2008年，新深圳站建设的最终方案完全确定。深圳北站在规划和设计阶段，曾经使用多个名称，如新深圳站、深圳新客站、龙华火车站等。2008年12月23日，新深圳站正式命名为“深圳北站”，位于广深铁路上的原深圳北站恢复初名“笋岗站”。由于受7·23温州动车追尾事故的影响，深圳北站的启用时间一再推迟。2011年12月26日上午，深圳北站正式启用，时任铁道部部长盛光祖、广东省委书记汪洋等人出席启用仪式。2012年4月1日起，广深港高铁与武广高铁双向直通，广深港高铁实行新运行图，深圳北站增加了20对前往武汉站和长沙南站的班次。2015年，车站开行深圳北始发往京广高铁，广深港客运专线，杭福深客运专线，南广铁路，贵广铁路，渝利铁路，郑西客运专线，合福高铁沿线的客车。另外逢每周一，五，六，日还会开行至北京西站和上海虹桥站方向去的高铁动卧。2017年1月5日，中国首个经济特区至地级市的城际铁路——深汕捷运开通，深圳北站为始发站。
2018年5月11日，香港的高铁列车进入内地试运行，次日动感号动车组开到深圳北站，广深港高铁开始跨境试运行。2018年6月5日，深圳北站新增互联网订餐服务。2019年12月18日凌晨4时30分，由中铁四局施工的深圳北站改造工程顺利完成第一阶段施工并正式通车，待明年深圳北站改造工程第二阶段施工完成后，将把赣深铁路引入深圳北站，将极大程度增强深圳北站运输能力。