Paret sades ha fallit på spår på Ealing Broadway vid 18:10 BST på tisdag.
Polisen sa att de behandlade dödsfallen som "oförklarade" och att de ännu inte hade identifierat offren.
Heathrow Express tjänster avbröts, medan First Great Western sade att det fanns förseningar på upp till 90 minuter till och från Paddington.
British Transport Police sade: " Vi kallades klockan 18.10 till Ealing Broadway station efter rapporter om att någon hade blivit påkörd av ett tåg.
"Vi deltog tillsammans med Metropolitan Police, London Ambulance Service och London Fire Brigade och upptäckte att två personer hade blivit slagna och dödade av tåget.
"Vi arbetar fortfarande för att fastställa identiteten på den avlidne eller hur de faktiskt kom att vara på spåren."
Polisen sa att tåget var från London.
I går kväll åkte pendlare till Twitter för att uttrycka sin oro.
Tjejen om staden twittrade: "Ändrade sig just på Ealing Broadway. Rammade med brandmän och poliser. Tyvärr två dödsfall, tydligen."
Thomas Clements skrev: "Forensikerna är fortfarande på banan vid Ealing Broadway. Jag bevittnade just en fasansfull scen. Känn för de människor som måste ta itu med det nu."
Tom Kimber twittrade: "Så tåget jag sitter på har träffat två personer på Ealing Broadway. En sorglig affär."
En talesman för First Great Western sa: "Vi gör allt vi kan för att hjälpa polisen med deras utredning av denna fruktansvärda händelse."
Två personer, en trodde sig vara ett barn, dog när de blev påkörda av ett första stort västerländskt tåg i västra London.