1905년 1월 1일 경부선의 보통역으로 영업을 개시하였으며, 1922년 충남선(지금의 장항선)이 개통되고, 1925년 안성선이 개통되어 이들 노선의 출발점이 되었으나 1989년에 안성선은 폐선되었다. 역사는 1933년 12월 10일 기공을 한 후 1934년 6월 7일 준공을 하였으나 1950년 6월 30일 6.25전쟁으로 역사가 소실되었다. 그 후 1958년 12월 28일 역사를 신축 준공하였다.
천안역사의 전체 면적은 461.30㎡이고, 연 면적은 601.50㎡에 달한다. 구조는 목조단층으로 지붕은 석면 슬레이트로 일부 동연판으로 둘렀다. 현재 역사는 1986년에 신축하여 사용 중이고, 2003년 10월 24일 임시선상역사 영업을 개시하였다. 2004년 고속철도 개통에 대비하여 고속철도 천안·아산역사도 건설하였다.
2005년 1월 20일 수도권 전철 병점∼천안 간 연장개통 영업을 하였으며, 2008년 12월 15일 1호선 천안∼신창 간을 연장 개통하여 영업을 하였고, 2009년 6월 1일 누리로(신창∼서울)열차의 영업을 개시하였다. 아산신도시 및 행정복합중심도시 건설이 예정되어 향후 지속적인 수송수요 증대가 예상되며 온양온천 간 전철이 개통되어 KTX 열차와의 연계수송 확대 및 지역경제 활성화에 크게 기여할 것으로 예상된다. 한편 2007년 화물취급이 중단되었다.
1·2번 승강장은 경부선·호남선의 하행열차, 3·4번은 경부선·호남선의 상행열차, 5번은 전철 하행(쌍용, 아산, 온양온천, 신창 방면)열차, 6번은 장항선, 누리로 하행(신창, 홍성, 대천, 익산, 서대전 방면)열차, 7번은 장항선, 누리로 상행(수원, 영등포, 용산, 서울 방면)열차, 8번은 전철 상행(두정, 평택, 용산, 서울, 청량리 방면)열차의 승강장이다.
지상 3층은 경부선·호남선 이용객의 동부 개표 맞이방이고, 우동가게, 호두과자점 등의 편의점과 교통 약자 보호석이 운영되고 있다. 지상 3층 동부 매표 맞이방은 경부선·호남선·장항선 매표창구가 운영 중이고, 패스트 푸드점, 한식점, 편의점 등이 운영되고 있으며, 국철 자동발매기 8대가 비치되어 있고 안내원은 주간에 상주한다. 지상 3층 서부 맞이방은 장항선, 누리로 및 전철 승강객이 이용하는데, 크레페점, 편의점 및 호두과자점이 운영된다.
경부선의 직산역과 소정리역 사이에 있으며 장항선의 분기역으로 봉명역과 연결된 기차역으로 2008년 일반여객 승강객수는 6,946,552명으로, 이 가운데 승차인원과 강차인원은 각각 약 50%로 비슷하다. 열차별 승강객수를 보면 무궁화 열차가 약 82%를 차지하여 가장 많고, 그 다음은 새마을 열차(약 18%)의 순이다.
2008년 수도권 전철 승강객수는 8,438,621명으로 승차인원이 53.3%이고 강차인원은 46.7%로 승차인원이 더 많다. 2008년 화물수송은 발송화물이 210톤, 도착화물이 1,389톤으로 도착량이 더 많다.