2004年4月18日，中国铁路实施第五次大面积提速，使得列车运行速度普遍提升，具备了开行夕发朝至的直达特快列车的条件。直达特快列车是中国首次实行一机牵引、单司机值乘、长途列车中途换班的运行方式，全程点对点直达。北京西至西安的Z19/20次列车作为铁道部首批开行的19对直达特快列车之一应运而生，并从开行第一天起就销售火爆。截至同年6月底，该趟列车票款收入3278.7万元人民币，总盈利1162.2万元人民币，上座率达93.3%，往返客票利用率始终稳居全国直达列车前列。

列车终到西安站

2007年10月10日，由北京奥组委倡导并支持，共青团中央、铁道部联合发起的“全国青年文明号列车宣传奥运文化之旅”活动，选择了Z19/20次列车作为4趟奥运列车之一，并于年内在西安举行了首发仪式。该活动以北京奥运会为背景，在2007年10月至2008年12月间，以4趟目的地为北京的“全国青年文明号列车”为载体，在列车车体将增加喷绘标识、车内悬挂宣传画等途径传播奥运知识，展示奥林匹克文化史和当代中国铁路建设成就。其余3趟奥运列车分别为北京至上海的Z13/14次列车（今D313/314次列车，现已停开）、北京西至广州的T15/16次列车（今Z35/36次列车）和北京西至长沙的Z17/18次列车（今Z206/207、Z208/205次列车）。

2009年4月1日，该列车改用西安至上海的Z94/91、Z92/93次列车使用的庞巴迪车底，不久之后便更换为上海局Z7/8次列车转配的全列软卧庞巴迪车底。2011年1月11日，该列车与哈尔滨铁路局的Z15/16次列车互换车底，并改经石太客运专线、太中银铁路和包西铁路运行，2012年1月7日又恢复京广－陇海径路。

Z19/20次列车使用配属中国铁路西安局集团有限公司西安车辆段的中国铁路25T型客车，採取18节车厢编组，全列均为卧铺。其中软卧车13辆、硬卧车4辆、高级软卧车1辆。列车配有行车安全监控装置及地面数据接收处理系统，对客车进行实时全程监控。同时，高速转向架、客车故障诊断系统、影视系统、烟火报警系统将会进一步确保列车运行及旅客安全。车厢里不仅安装了环保集便装置，而且採用节能高效的机车直接供电方式。软卧车厢的每个铺位都装有液晶电视，旅客戴上耳机就可以自选节目。

Z19/20次列车由中国铁路西安局集团有限公司西安机务段使用和谐3D型电力机车担当西安至北京西间机车交路，由西安机务段机车乘务员值乘。

2015年8月2日晚上8时许，由西安开往北京西的Z20次列车运行至陇海线窑村站至临潼站间K1048+156M处时，暴雨沖毁路基，导致6、7、8号车厢脱线，无人员伤亡。事后，9车以后的车厢仍沿陇海线、京广线运行，1～5号车厢则经由延安赴京，脱轨的车厢则于8月6日返回西安维修。