천안아산역은 2004년 4월 1일, 고속철도 개통과 함께 영업을 개시하였다. 1992년 6월 30일에 천안아산역 예정지에서 주1이 거행되었으나 외환위기(外換危機)로 인하여 1996년 7월이 되어서야 본격적인 공사가 시작되어 애초 계획보다도 12년이 지나서야 역사(驛舍)가 완성되었다.
건설 초기 역명을 선정할 당시에 역사 소재 지역명을 따라 장재역을 역명으로 검토하였으나 그 지역이 가지는 인지도가 충분하지 않은 이유로 다른 명칭이 선정되었다. 2003년 당시 건설 주2는 천안시(天安市), 아산시, 충청남도의 의견을 수렴하여 고속철도 역 명칭 선정 자문 위원회를 구성하고 주민 주4를 통하여 천안아산역(온양온천)이란 역 명칭을 최종 발표하였다. 이후 2007년 3월, 장항선(長項線) 아산역이 영업( 새마을호, 주5)을 개시하였고 2008년 12월에는 수도권 주6 1호선이 운행되면서 고속 주8, 전철, 일반 열차 간 연계 이용이 가능하게 되었다. 2023년 현재 주10 및 주11 경부고속철도와 호남고속철도를 비롯한 동해선, 경전선, 전라선 고속 열차가 정차하고 있다. 천안아산역에 인접한 천안역(天安驛)에는 일반 주9와 수도권 전철이 정차하며, 수원역(水原驛)을 경유하는 고속 열차가 지나가지만 정차하지는 않는다.
고속철도 전용 역인 천안아산역은 타는 곳이 지상 4층에 있는 선하 역사이다. 매표소는 지상 2층에 있으며, 같은 층에 유실물 센터, 물품 보관함 등의 편의 시설과 회의실, 여행 센터, 천안아산 관광 홍보관, 약국과 식당, 카페 등을 비롯한 상업 시설이 자리하고 있다. 지상 1층에는 수유방, 현금 지급기 등의 편의 시설과 케이티엑스(KTX) 특송 서비스 접수처가 자리 잡고 있다. 주차장은 선하에 524면, 역사 서측 광장에 총 532면의 규모로 갖추어져 있다. 역사는 대지에서 날아오르는 학의 비상을 형상화하였으며 현대적 감각의 승강장 및 건물 외부의 아치형 구조물과 함께 각종 첨단 시설을 갖추고 있다.
천안아산역은 천안 지역뿐만 아니라 장항읍, 서산시(瑞山市) 등 주변 충청남도 지역민이 이용하고 있다. 2022년 기준, 천안아산역 총 수송 인원은 977만 8,826명이다. 이 중 약 76%(745만 6,089명)는 케이티엑스(KTX)를 이용하였으며 나머지 약 24%(232만 2,737명)는 에스알티(SRT)를 이용하였다. 케이티엑스(KTX) 경부선(京釜線)은 상행(上行) 29회(주말 35회), 하행(下行) 33회(주말 39회), 케이티엑스(KTX) 호남선(湖南線)은 상행 13회(주말 14회), 하행 15회(주말 16회), 케이티엑스(KTX) 경전선은 상행 5회(주말 7회), 하행 8회(주말 10회), 케이티엑스(KTX) 동해선은 상‧하행 각 7회, 케이티엑스(KTX) 전라선은 상행 9회(주말 11회), 하행 11회(주말 12회) 정차하고 있다. 에스알티(SRT) 경부선은 상행 17회(주말 20회) 하행 21회(주말 23회), 에스알티(SRT) 호남선은 상‧하행 각 11회, 에스알티(SRT) 경전선은 상‧하행 각 1회, 에스알티(SRT) 동해선은 상행만 1회, 에스알티(SRT) 전라선은 하행만 1회 정차하고 있다.