西北大學肇始於1902年的陜西大學堂，由清末光緒皇帝禦筆朱批設立。清光緒二十八年（1902年）4月12日陜西巡撫升允給慈禧太後和光緒皇帝關於開辦陜西大學堂的奏本，其中有光緒皇帝“著即督飭，認真辦理，務收興學實效，單並發”的親筆朱批。奏本內容表明，早在光緒二十七年（1901年），陜西已撥庫銀二萬兩興建陜西大學堂，首批錄取的40名學生於1902年3月25日開學上課 。1912年3月，成立了以張鳳翙為會長的西北大學創設會，並推原陜西法政學堂校長錢鴻鈞為校長，積極籌建西北大學。
西北大學最初定名為“關中大學”，1912年10月改今名。其前身為創於清光緒二十八年（1902）的關中大學堂，以及陜西法政學堂、陜西農業學堂、陜西實業學堂、三秦公學等校。其中關中大學堂（1905年改為陜西高等西北大學）位於鹹陽、長安兩縣考院舊址（今西安市東廳門），是為今天西北大學的歷史源頭；陜西法政學堂（清光緒三十三年成立，位於今西安市老關廟什字萬壽宮），是由陜西巡撫曹鴻勛在原課吏館的基礎上，根據北洋法政學堂成規創辦的，為民國前培養官吏及法、商人才的專門西北大學，它以後直接成為西北大學早期校舍所在地及專業設置和師資構成的根基；而農業學堂的校址則成為今天西北大西北大學舍的永久基礎。這壹時期的西北大學設有大學部、大學預科及文科、法律科、商科、邊務科、農科等專門部，於1912年春開學。到1913年時，在校學生總數達到1484人（不含從法政學堂轉來的甲班畢業生、蠶桑科簡易班學生和附中學生）。在1912至1915年間，還向日本送出兩批留學生。教師組成除有數名前清舉人外，多系留日歸國學生。西北大學還設有出版部，創辦了學術刊物——《學叢》。 西北大學研究人員此前在北京大學圖書館和四川省圖書館發現西北大學於1913年創辦的《學叢月刊》，該刊早於《清華學報》、《復旦》、《北京大學月刊》等學報，僅晚於東吳大學的《學桴》月刊而成為全國最早的綜合大學學報之壹。
正當西北大學初具規模、諸事漸入正軌之時，陜西政局急劇變化。1914年6月，袁世凱以揚威將軍銜將張鳳翙調入北京，遣其親信陸建章率兵入陜，奪取了陜西都督兼西北大學創設會會長張鳳翙的職位。當年冬，陸建章派兵將西北大西北大學長錢鴻鈞逮捕入獄，派關中道尹宋煥彩接任校長。西北大學隨之日漸衰落，到1915年春季開學時，僅有學生百余人，於開學不久即被陸建章宣布撤銷，改為公立陜西法政專門西北大學（今西安市第二十中西北大學址）。之所以改為以法政為主的西北大學，其關鍵是法政為西北大學的學科主幹，實際上是保留了西北大學的根基和血脈。而其校政主持者，亦為與西北大學密切相關者。 從1915年到1923年底，其四任校長中：第壹任校長周鏞（石生）為原陜西高等學堂監督；第三任校長郗朝俊為原西北大學創設會委員、農科學長，原高等學堂留日法學學士，1946年8月起復任西北大學法律系教授，主講憲法；第四任校長蔡江澄（屏藩）於1923年長校不久，即被任命為國立西北大學重建籌備主任、交際主任兼法科專門部（後改法學系）主任、教授評議會成員等。陜西法政專門西北大學不僅保留了西北大學的學科主脈，而且也保留了其優良的革命傳統。
1923年，陜西省省長、軍閥劉鎮華順應時勢，重建西北大學。傅銅、李儀祉相繼任校長。在西安講學的康有為為西北大學書寫了校牌。校址選在1912年創建時的原址——陜西法政專門西北大學（今西安市二十中學），又將市內東大街省教育廳（原陜西日報社舊址）增為預科新校舍。1923年，在曹錕賄選總統的前夕，西北大學經北洋軍政府正式批準立案。之後，又將陜西法政專門西北大學、陜西水利工程專門西北大學、渭北水利局附設之水利道路工程專門西北大學及甲種商業西北大學等並入。 1924年3月正式開學。全校設四院：文學院（中國文學系、外國文學系）；社會科學院（史學系、哲學系、教育學系、法學系）；自然科學院（數理化學系、生物學系）；應用科學院（農學系、林學系、工學系）。以後，按師資、生源情況又設法科專門部、工科專門部、國學專修科和蒙藏文專修科。著名語言學家羅常培（建國後為中國科學院哲學社會科學部學部委員）、著名水利學家李儀祉、五四時期以著名長篇抒情詩《婉容詞》而蜚聲詩壇的吳芳吉、著名文學家胡小石等均被聘為教授，到校執教。最為轟動的是1924年暑假，邀請魯迅等名流前來西北大學講學。應邀前來的還有愛因斯坦的中國學生、北京大學前理學院院長夏元王栗，北平師範大學教授王桐齡、林礪儒，南開大學教授蔣廷黻、陳定漠，東南大學教授陳鐘凡、劉文海等。這無疑為閉塞的西北，投下壹束文化之光。
1927年1月，國民聯軍解圍入城後，以總司令部名義命令：“以該校（西北大學）所有壹切校產經費改辦中山學院”。這次收束西北大學和改辦中山學院的籌備委員會由王鳳儀、李壽亭、趙葆華、劉含初和李子洲5人組成。其中王鳳儀為西安被圍期間李儀祉離陜後西北大學的代理校長（1925年冬～1927年1月18日）。中山學院籌建時對西北大學低年級學生的去留容納、高年級學生的函送府考錄用或插班，以及舊欠西北大學教職員工工資和外債等均做了妥善處理，方於1927年3月10日正式成立，表明了新的延續性。不少學生繼續在該校學習，也有不少進步教師繼續留任。由於中山學院系國民聯軍司令部與***產黨合辦，故當時在西安中山軍事西北大學任教的鄧小平等人也常到中山學院兼課。 1937年，中華民族面臨新的危機，蘆溝橋事變爆發，大片土地淪於日寇鐵蹄之下，平津地區的壹些著名高校遭到空前的浩劫，遂有在長沙和西安設立西南和西北兩個臨時大學之舉。1937年9月10日，以北平大學、北平師範大學、北洋工學院和北平研究院為基幹組成國立西安臨時大學。教育部長王世傑任主席，聘任李書華（未到任）、徐誦明、李蒸、李書田、童冠賢、陳劍、周伯敏、臧啟芳、辛樹幟為籌備委員。隨後，又指定北平大西北大學長徐誦明、北平師範大西北大學長李蒸、北洋工學院院長李書田和教育部特派員陳劍四人為籌備委員會常務委員，商決校務。西北大學下設文理、法商、教育、工、農、醫6大學院，24個系。臨大壹開始就遇到極大困難，經多方努力，全校才在西安市城隍廟後街4號、小南門外抗戰內遷來的東北大學（今西北大西北大學址）和北大街通濟坊三地棲身。經過2個多月的籌備，於1937年11月1日正式開學，是為西北大學重建之始。據1938年2月10日統計，在校學生人數總計為1472人。黎錦熙、曹靖華、許壽裳、趙進義、傅種孫、張貽惠、張貽侗、劉拓、嶽吉力恒、金樹章、黃國璋、黃覺非、章友江、沈誌遠、季陶達、寸樹聲、馬師儒、袁敦禮、董守義、虞宏正、李儀祉、張伯聲、潘承孝、蕭連波、李仙舟、吳祥鳳等著名教授被聘到校任教。
1937年底，日寇逼近潼關，飛機亦頻頻轟炸西安。教育部遂令西安臨大遷往陜南。1938年3月16日正式遷離西安。師生們步行250多公裏，過渭河，越秦嶺，渡柴關，歷時半個多月，到達漢中。全校被分別安置在3縣6個地方，校本部設在城固縣城。1938年4月3日，教育部根據國民政府行政院第350次會議通過之《平津滬地區專科以上西北大學整理方案》，令西安臨時大學改名為國立西北聯合大學。全校設有文理學院、法商學院、教育學院、農學院、工學院、醫學院6個學院，23個系。1938年7月，奉教育部令，國立西北聯合大學工學院和東北大學工學院（今天的東北大學）、焦作工學院（今天的中國礦業大學和河南理工大學）合並，獨立為國立西北工學院（1938.7-1950.12）（又名西北聯合大學工學院）農學院與西北農林專科西北大學合組為國立西北農學院，教育學院改稱師範學院。
1939年8月8日，教育部又令改國立西北聯合大學為國立西北大學，並指定西安為永久校址。同時，原師範學院和醫學院亦獨立設置，分別改為國立西北師範學院和國立西北醫學院。西北大學將原文理學院分為文、理兩院，連同法商學院***3院。下設有中國文學、外國語言文學、歷史學、法律學、政治學、經濟學、商學、數學、物理學、化學、生物學、地質地理學等12個系。1939年9月，國立西北大學正式開學。行政體制改西北聯大的校務委員制為校長負責制。在城固時期先後由胡庶華、陳石珍、賴璉、楊宙康、劉季洪出任校長。這壹時期新聘任的著名教授有趙學海、劉鴻漸、姜琦、杜光塤、高文源、盧峻、於賡虞、曹國卿、杜元載、蕭壹山、汪奠基、羅章龍、黃文弼、周傳儒等。1945年9月，英國著名科學史家、中英科學合作館館長李約瑟第壹次訪問西北大學，作了題為《科學與民主主義》的學術報告，並向圖書館贈送了數百冊英文書刊。1941年底，國民政府監察院院長於右任到校作了有關書法的學術演講。
1944年10月，嶽吉力恒教授在校主持了中國物理學會第十二屆年會西北分會的學術討論會。西北大學還相繼創辦了《國立西北大西北大學刊》、《西大學報》、《西北學術》等10余種學術期刊，反映了這壹時期西北大學學術的繁榮景象。 抗日戰爭勝利以後，西北大學隨即於1945年8月開始籌備遷回西安。9月20日，教育部明令，將東北大學西安校址（早期西北大學農科原址），準撥西北大學使用。1946年夏，西北大學全部遷回西安。1946年5月，教育部令將原國立西北醫學院漢中部分，自1946年度起並入西北大學，改稱西北大學醫學院。此時全校***有4院15個系。理學院之地質地理系，於1947年初經教育部批準，分為地質、地理兩系。遷回西安後，先後由劉季洪、馬師儒、楊鐘健、嶽吉力恒等出任校長或代校長。這壹時期，新聘教授、副教授71人，其中有張西堂、傅庚生、王子雲、侯宗濂等教授來校執教。西北大學的學術活動尤為活躍，僅1947至1948年，正式安排的大型學術演講就有30余次。裴文中、屈武、鄭伯奇、吳雨僧、陳夢家等著名人士先後到校進行學術交流。
1949年5月20日，西安解放。西北大學進入了壹個嶄新的歷史階段。1949年7月，陜西師範專科西北大學、陜西商業專科西北大學、陜西省立醫學專科西北大學並入西北大學；1950年3月，南鄭師專分校並入西北大學；1950年4月原並入西北大學的醫學院獨立為西北醫學院（即今西安交通大學醫學院）；1952至1953年，全國進行大規模院系調整時，將英語系二、三年級並入北京大學，壹年級與俄語組教師並入西北俄文專科西北大學（後發展為今西安外國語大學），原蘭州大學經濟、銀行會計系並入西北大學，連同原西北大學財經學院調整為經濟、企業管理、會計、統計4系；1952年11月，少數民族系遷往蘭州，並入西北民族學院。1953年師範學院獨立為西安師範學院（後發展為今陜西師範大學）；1954年成立法律系，1958年法律系分立，與西北政法幹校合並，成為西北政法學院；1960年經濟系與他校合組為西北財經學院（今陜西財經學院）；1972年陜西工業大學撤銷，該校化工系並入西北大學。
1959年以前，西北大學為高教部直屬的14所綜合大學之壹。1959年，根據中央統壹部署，將西北大學改歸省屬。1949至1997年間，先後由嶽劼恒（代）、侯外廬、劉端棻、蘇貫之、郭琦、鞏重起、張豈之、郝克剛、陳宗興、王忠民執掌校政。
1992年12月，陜西省政府決定“將西北大學作為重點建設院校，積極爭取第壹批進入國家‘211工程’”。1993年6月，陜西省政府決定投資3億元，重點建設西北大學，並批準了《西北大學“211工程”重點建設規劃》，同時決定將西北大學“211工程”建設項目列入陜西省中長期發展規劃。1996年10月4日至6日，順利通過了“211工程”部門預審。1997年6月4日，又順利通過了“211工程”立項專家論證。