2002年，因秦沈客运专线（现京哈铁路秦沈段）接入车站，车站开始改造工程（第二次）。12月13日，山海关站迎来了秦沈客运专线的试验列车中华之星的首次试运行。2003年10月9日，秦沈客运专线正式接入车站。2004年11月8日，山海关站新建造的站舍正式投入运营。2005年8月1日，中华之星投入秦沈客运专线（山海关至沈阳北区间）服务。2015年，车站进行扩建工程（第三次）。该次扩建工程包括新建南子站房、站场改造和新增站台一座。2017年6月，山海关站扩建工程完工。2018年7月18日，山海关站南子站房及南候车室投入运营。