1888年,詹天佑由老同學(xué)鄺孫謀的推薦,到中國(guó)鐵路公司任工程師.被湮沒(méi)了七年之久的詹天佑才有機(jī)會(huì)獻(xiàn)身于祖國(guó)的鐵路事業(yè).此時(shí)正值天津-唐山鐵路施工,他不愿久居天津,就親臨工地,與工人同甘共苦,結(jié)果只用八十天的時(shí)間就竣工通車了.但李鴻章卻以英人金達(dá)之功上奏,并提升金達(dá)為總工程師.詹天佑之功就這樣被剽竊了.
1890年清政府又修關(guān)內(nèi)外鐵路（今京沈鐵路）,以金達(dá)為總工程師.1892年工程進(jìn)行到灤河大橋,許多國(guó)家都想兜攬這樁生意,金達(dá)當(dāng)然以英人為先,但英人喀克斯以建不成橋而失敗.日本、德國(guó)的承包者也都遭失敗.由于交工期限將至,金達(dá)才不得不求于詹天佑.詹天佑詳盡分析了各國(guó)失敗原因,又對(duì)灤河底的地質(zhì)土壤進(jìn)行了周密的測(cè)量研究之后,決定改變樁址,采用中國(guó)傳統(tǒng)的方法,以中國(guó)的潛水員潛入河底,配以機(jī)器操作,勝利完成了打樁任務(wù),建成灤河大橋.這一勝利長(zhǎng)了中國(guó)人民的志氣.1894年英國(guó)工程研究會(huì)選舉詹天佑為該會(huì)會(huì)員.
此后,詹天佑又領(lǐng)導(dǎo)了京津路、萍醴路（萍鄉(xiāng)至醴陵）等鐵路的建筑.
袁世凱為討好那拉氏,1902年奏請(qǐng)修建一條專供皇室祭祖之用的新易鐵路（高碑店至易縣）.坐火車去祭祖,那拉氏自然高興.為了不誤1903年祭祖之用,命袁世凱于六個(gè)月內(nèi)完工.袁世凱命詹天佑為總工程師.盡管此路價(jià)值不大,卻是中國(guó)人自修鐵路之始,因此詹天佑仍是非常重視.詹天佑徹底拋棄了當(dāng)時(shí)外國(guó)人必須在路基修成之后風(fēng)干一年才可鋪軌的常規(guī),僅用四個(gè)月的時(shí)間以極省的費(fèi)用建成新易鐵路.大大鼓舞了中國(guó)人自建鐵路的信心,為后來(lái)京張鐵路的修筑打下良好基礎(chǔ).
張家口為北京通往內(nèi)蒙古的要沖,南北旅商來(lái)往之孔道,向來(lái)為兵家所必爭(zhēng),因此京張鐵路就有著重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和政治價(jià)值.當(dāng)清廷要修京張路的消息傳出后,在華勢(shì)力最大的英國(guó)志在必得,視長(zhǎng)城以北為其勢(shì)力范圍的沙俄誓不相讓,雙方爭(zhēng)持不下,最后達(dá)成協(xié)議：如果清廷不借外債,不用洋匠,全由中國(guó)人自修此路,雙方可都不伸手.這樣,清政府就打消了求救于洋人的念頭而一心自修了.
1905年5月,京張鐵路總局和工程局成立,以陳昭常為總辦,詹天佑為會(huì)辦兼總工程師,1906年詹天佑又升為總辦兼總工程師.詹天佑清楚地知道這一任務(wù)的艱巨性,他首先必須頂住來(lái)自各方面的冷嘲熱諷：有人說(shuō)他是“自不量力”,“不過(guò)花幾 個(gè)錢(qián)罷了”,甚至說(shuō)他是“膽大妄為”.他給他的美國(guó)老師諾索樸夫人的信中就這樣說(shuō)：“如果京張工程失敗的話,不但是我的不幸,中國(guó)工程師的不幸,同時(shí)帶給中國(guó)很大損失.在我接受這一任務(wù)前后,許多外國(guó)人露骨地宣稱中國(guó)工程師不能擔(dān)當(dāng)京張線的石方和山洞的艱巨工程,但是我堅(jiān)持我工程”.充分體現(xiàn)了中國(guó)知識(shí)分子的愛(ài)國(guó)心和民族責(zé)任心.
詹天佑勘測(cè)了三條路線,第二條繞道過(guò)遠(yuǎn)為不可取.第三條就是今天的豐沙線.由于清廷撥款有限,時(shí)間緊迫,詹天佑決定采用第一條路線,即從豐臺(tái)北上西直門(mén)、沙河、經(jīng)南口、居庸關(guān)、八達(dá)嶺、懷來(lái)、雞鳴驛、宣化到張家口,全長(zhǎng)360華里.全線的難關(guān)在關(guān)溝,這一帶疊巒重嶂,懸殊峭壁,工程之難在當(dāng)時(shí)為全國(guó)所沒(méi)有,世界所罕見(jiàn)；坡度極大,南口和八達(dá)嶺的高度相差180丈.詹天佑把全線分為三段：豐臺(tái)到南口為第一段,南口到康莊為第二段,余為第三段.
1905年9月4日正式開(kāi)工,12月12日開(kāi)始鋪軌.就在鋪軌的第一天,一列工程車的一個(gè)車鉤鏈子折斷,造成脫軌事故.這一下成了中國(guó)人不能自修鐵路的證據(jù),各種誹謗中傷紛至沓來(lái).但詹天佑沒(méi)有驚慌失措,反倒冷靜地想到：此路坡度極大,每節(jié)車廂之間的連接性能稍有不固,事故就難避免.為此,他使用了自動(dòng)掛鉤法,終于解決了這個(gè)問(wèn)題.
1906年9月30日第一段工程全部通車,第二段工程同時(shí)開(kāi)始.難關(guān)就在第二段,首先必須打通居庸關(guān)、五桂頭、石佛寺、八達(dá)嶺四條隧道,最長(zhǎng)的八達(dá)嶺隧道1,092公尺.這不僅要有精確的計(jì)算和正確的指揮,還要有新式的開(kāi)山機(jī)、通風(fēng)機(jī)和抽水機(jī).前者對(duì)詹天佑都不成問(wèn)題,而后者當(dāng)時(shí)中國(guó)全都沒(méi)有,只在靠工人的雙手,其困難程度可以想見(jiàn).他們硬是克服了重重困難,終于在1908年9月完成了第二段工程.
第三段工程的難度僅次于關(guān)溝,首先遇到的是懷來(lái)大橋,這是京張路上最長(zhǎng)的一座橋,它由七根一百英尺長(zhǎng)的鋼梁架設(shè)而成.由于詹天佑正確地指揮,及時(shí)建成.1909年4月2日火車通到下花園.下花園到雞鳴驛礦區(qū)岔道一段雖不長(zhǎng),工程極難.右臨羊河,左傍石山,山上要開(kāi)一條六丈深的通道,山下要墊高七華里長(zhǎng)的河床.詹天佑即以山上開(kāi)道之石來(lái)墊山下河床.為防山洪沖擊路基,又用水泥磚加以保護(hù),勝利完成了第三段工段.
對(duì)于工程上的困難,詹天佑從未放在眼里,對(duì)于人為的障礙卻使詹天佑憂憤至極.清河有個(gè)叫廣宅的人,是前任道員,皇室載澤的親戚,朝野均有勢(shì)力.鐵路恰經(jīng)其墳地,他即率眾鬧事,阻止工程,私下又許以重賄,要求改道.郵傳部竟不敢過(guò)問(wèn).這里北面是鄭王墳,南面是宦官墳,西面是那拉氏父親桂公墳,要大改道不知要浪費(fèi)多少時(shí)間和經(jīng)費(fèi).詹天佑以受賄為可恥,絕不改道,竟以去留相力爭(zhēng).最后因五大臣出洋被炸,載澤嚇得不敢與聞外事,廣宅才因失去靠山而同意經(jīng)其墳墻以外通過(guò).