西成高速铁路分为三个部分：新建西成高速铁路西安至江油段（陕西和四川分段建设）和既有成绵乐城际铁路江油至成都段。
2008年1月10日，四川省与原中华人民共和国铁道部签订加快四川铁道建设的部省会议纪要，提出建设西成高速铁路；同年8月27日，中华人民共和国国务院审议通过国家汶川地震灾后恢复重建总体规划，西成高速铁路被纳入其中；同年12月29日，成绵乐城际铁路江油至成都段正式开工建设。2009年4月27日，原中华人民共和国铁道部评审通过西成高速铁路可行性研究报告；同年10月29日，中华人民共和国国家发展和改革委员会发布了《关于西安至江油铁路项目建议书的批复》（发改基础【2009】2669号）。
2010年9月16日，原中华人民共和国环境保护部批复西成高速铁路环境影响评价报告；同年10月23日，中华人民共和国国家发展和改革委员会批复西成高速铁路可研报告。
2011年2月10日，原中华人民共和国铁道部批复西成高速铁路初步设计；同年6月8日—10日西成高速铁路西安至江油段修改初步设计审查会议确定将原设计速度350千米/小时调整为速度250千米/小时。
2012年4月19日至26日，西成高速铁路陕西段修改初步设计审查会议确定其采用双线、高速铁路标准；同年6月25日至27日，西成高速铁路四川段修改初步设计审查会议召开。同年11月1日，原中华人民共和国铁道部正式发布了《关于新建西安至成都铁路西安至江油段可行性研究报告的批复》（铁鉴函〔2012〕1449号）；同年12月9日，西成高速铁路陕西段正式开工。
2013年3月21日，西成高速铁路四川段正式开工。
2014年12月20日，成绵乐城际铁路江油至成都段（现为西成高速铁路江油至成都段）投运。
2016年9月1日，西成高速铁路西安至江油段进行全线铺轨。
2017年3月1日，西成高速铁路陕西段完成静态验收；同年6月16日，四川段完成静态验收；同年6月20日，陕西段进行联调联试；同年7月3日，四川段进行联调联试；同年11月13日，线路进入全面验收阶段。同年11月22日，线路进入全线拉通试验阶段；同年12月6日，正式开通运营，成绵乐城际铁路江油至成都段于同日并入西成高速铁路。
西成高速铁路自北向南穿越关中平原、秦岭山区、汉中平原和大巴山区，地质条件极为复杂，是中国国内在建的最具山区特点的高标准现代化铁路。尤其线路途经的陕西境内段，地质地貌十分复杂，为全线设计、建设的难点和重点区域。
西成高速铁路陕西段工程以桥隧为主，桥隧比高达92.1%。穿越秦岭山区地段线路总长135千米，隧道里程高达127千米，桥隧比高达94%。全线10千米以上特长隧道共有7座。
西成高速铁路秦岭山区隧道群首次采用25‰的大坡度，且大坡道持续段落长达46千米，这在中国国内拟建的山区高标准现代化铁路建设中属首次尝试。由于山区持续大坡道对动车的牵引制动、牵引供电、运营安全、运营能力等有着重要影响。中铁第一勘察设计院集团有限公司开展了“持续长大坡度、特长隧道、隧道群地段高速铁路有关技术”研究，设计选用25‰的大坡度设计，连续坡道长达47千米，有效缩短了线路穿越秦岭地区的长度，这在中国山区高标准现代化铁路建设中是一次全新的尝试。
文川河特大桥途径陕西省汉中市城固县和汉台区，全长23.8千米，为西成高速铁路陕西段最长桥梁。
秦岭天华山隧道全长15.989千米，最大埋深超过1000米，为西成高速铁路第一长隧道，也是亚洲最长单洞双线高铁隧道。这条隧道绵延长、海拔高、山势厚、横切秦岭，属于Ⅰ级高风险类别，为西成高速铁路陕西段第一特长高风险隧道。
黄家梁隧道全长11.639千米。隧道洞身最大埋深约620米，隧道受石油、天然气影响，属高瓦斯隧道。
大秦岭隧道位于秦岭褶皱带，为西成高速铁路第二长隧道，贯穿黄河与长江两大水系分水岭的秦岭山脉，是西成高速铁路的控制性工程。该隧道全长14.84千米，最大埋深1185米，隧道范围内平均海拔1300-2638米，地质条件极为复杂。
2016年9月12日，大秦岭隧道贯通，标志着西成高速铁路陕西段境内穿越秦岭山脉隧道工程全部施工结束，也是西成高速铁路穿越秦岭山脉最后一座贯通的隧道。
