西北大学目前拥有三个校区：
北校区（校本部）：
位于西安市太白北路229号，与西北工业大学、西安电子科技大学比邻。主要院系包括文化遗产学院、历史学院、物理学系、化学与材料科学学院、生命科学学院、化工学院、地质学系、国际文化交流学院、中国思想文化研究所、中东研究所、西北史研究室、哲理数学研究所、非线性科学研究中心、中日数论研究所、光子学与光电子技术研究所、现代物理研究所、理论物理研究所、分析科学研究所、化学研究所、现代分离研究所、生态毒理研究所、大陆动力学教育部重点实验室等25个院系及研究机构。
南校区（桃园校区）：
位于西安高新技术产业开发区高新四路，占地面积236.11亩。主要院系包括职业技术学院、软件职业技术学院、公共管理学院、经济管理学院、文学院、法学院、新闻学院、外国语学院、哲学与社会学学院、数学系、数学与科学史研究中心、城市与环境学院、信息科学与技术学院、软件学院、西部经济发展研究中心、可视化技术研究所、软件工程研究所等12个院系及研究机构。
长安校区：
位于西安市长安区郭杜镇南200米，距市中心16公里，距北校区13公里，占地面积1544亩。主要院系包括文学院、历史学院、文化遗产学院、新闻传播学院、公共管理学院、经济管理学院、数学系、应用社会科学系、信息科学与技术学院（软件学院）、外国语学院、城市与环境学院、法学院（知识产权学院）等。
此外，西北大学还计划在沣西新城建设新的校区，即西北大学沣西校区（未来科创城），以应对复办医学和筹划西安电影学院的需求。