（一）京张铁路
1.接受重任
张家口距北京约200公里，自古以来就是连接华北与蒙古、通往西北的交通要冲，满族与蒙古王公关系亲密，入主中原后，张家口便成为王朝与蒙古频繁来往的必经之路。不仅如此，张家口在政治、军事上发挥着举足轻重的作用的同时，也成为北京和蒙古商旅们货物往来、互通有无的中转站和集散地，蒙古一带的皮毛、羊马，南方的茶叶、布匹等货物贸易数量很大。但是，虽相隔仅仅200余公里，中间却阻隔着太行山余脉军都山，即居庸关天险，使得这条交通要塞一直艰险难行，给来往行人带来诸多不便。修建一条由北京通往张家口的铁路，既具有重大的政治军事战略作用，也能带来可观的经济效益。
八国联军侵华以及日俄战争之后，帝国列强在中国的势力范围瓜分基本完成，各方力量形成均势。另一方面，外国对中国的殖民统治严重损害了中国人民的权益和尊严；铁路运营带来的巨大利润也刺激了地主和商人对铁路投资的热情。加上当时人们对铁路的认识已经彻底摆脱了传统思想的束缚，铁路事业从而进入了一个新的发展时期，各省的绅商掀起了连续数年的向列强收回铁路权益、由中国商民自办铁路的高潮。清政府也设立商部来管理铁路，并向民间资本开放路权。在这样的大潮下，中国朝野很快将目光集中到了建设京张铁路上。民间和各国列强都揣摩到了清政府的这一动机，纷纷进言献策，主动请缨。尽管如此，这毕竟触及到统治的肋骨，政府宣称“京张铁路关系重要，应由国家自行筹款兴筑，不得由商人率意主办”，将各方的申请一一驳回。
京张铁路真正被提上日程是在1904年。时任直隶总督的袁世凯最先提议政府筹备兴建京张铁路，并建议用关内外铁路盈利的一部分作为资金。提议很快得到了批准，并任命袁世凯负责督办。而当时关内外铁路是向英国借贷修建的，利润都放在英国的银行里，要想拿钱须经英国同意。英国其实也并不反对，觉得这是将自己势力伸向蒙古与中国西北，对抗盘踞在中国北部的沙俄的绝好时机。所以英方提出，京张铁路要作为关内外铁路的西北延伸线，且必须由英国人担任总工程师，主持勘测、设计和施工。袁世凯亦无异议，双方达成协议，由关内外铁路局的英籍总工程师金达负责。
但是，协议很快就遭到了俄国的反对和抗议。甲午中日战争以来，俄一直视中国的长城以北地区为自己的势力范围，怎么容得英国人把铁路伸到自己地盘上来。俄要求清政府解除金达总工程师一职，由俄国人担任。英方亦不同意。双方相持不下，最终清廷折中，提出京张铁路由中国自行筹款建造，不与他国相干。英俄同意，清廷才最终拿回自主权。
当时，世界各国都普遍认为，京张铁路穿越险峻复杂的军都山关沟段，修筑工程空前艰巨，甚至很多国外专家都望而生畏，更何况是没有优秀工程技术人员和修路经验的中国。以至于有一些西方报纸公开讥讽：“中国造此路之工程师尚未诞生。”
当时放眼海内，在为数不多的铁路工程技术人员中，詹天佑无疑是最好人选。无论知识还是经验在当时都是首屈一指，新易西陵铁路的技术水平和成功经验使他声名鹊起，也顺理成章地于1905年5月被任命为京张铁路的总工程师。
在清廷和英俄的同意下，资金、督办、工程师、技术人员、工人，一切很快就绪，赶快开始整地铺轨吧。不，其实真正的准备才刚刚开始。修筑铁路并不像大家看到的那样简单地把两条平行铁轨无限延伸。为了节约资金，缩短工期，降低施工难度同时兼顾经济价值与收支效益，它需要经过反复地实地勘测选线，避开湍急的河流和陡峻的山体，精确地测算和科学的勘路报告，然后根据报告进行详细的造价评估，以便合理地分配人力、物力、财力等资源。
2.勘测选线
接到任命后，詹天佑立即组织勘测队，由天津到达丰台，开始对京张铁路全线进行勘测。由于当时中国铁路工程技术人员极少，在勘测队里仅有两名队员懂得技术，能真正充当詹天佑勘测的助手。
詹天佑一向认真严谨，在勘测南、北沙河时，向当地人详细了解此河在历史上的最高水位、水流情况等，初步估算了设计桥长，孔数和跨度等，并将每天的勘测和调查结果及自己的初步设计，一一记录在手册上。铁路所经过的每一块区域都会再三勘测，并在同一区域找出一些其他方案，逐一比较、排除，挑选最合适的路线。
在京张铁路的选线上，最艰巨而又必须得攻克的，就是一直被外国人认为中国不可能完成的任务——关沟地区。所谓关沟地区，是指太行山北部余脉军都山的一条隘道。关沟地区处处崇山峻岭、悬崖陡壁、巨壑深涧，有居庸关、八达岭等著名的高地，其中八达岭高耸入云，雄伟的长城从山脊上蜿蜒盘向远方。从关沟地区的南部入口——南口，到八达岭，南北相距不到20公里，但高低相差却有180丈，坡度极陡。自八达岭向北，地势稍缓，行数里至岔道城。高出巨壑中蜿蜒着一条约20公里的狭长曲折的通道，东西走向，从南口直至岔道城。其间流淌着一条溪流，俗称关沟。在如此高山深壑间修筑铁路，在当时的条件下是极其困难的。
勘测到南口关沟段最高点八达岭路段，山体在那里向前后两个方向顺坡而下。詹天佑面临着一个抉择，要么开凿一条长隧道，要么截去长城一段。选择后者，工程难度将大大降低，并节省不少开支，他也能轻松复命。可事实上他最终还是毅然开凿了著名的八达岭隧道。
詹天佑花了整整24天完成了京张铁路全线的初步勘测与估算。其间，他兢兢业业，一丝不苟，亲自背着标杆、经纬仪等测量工具，穿越于悬崖峭壁之间。夜晚整理资料，核实数据，设计绘图，比较路线。
初步勘测完成后，詹天佑考虑到关沟地区过于险峻，工程艰巨，竣工后火车的通行能力和维修成本等问题，决定返回北京时进行复测，试图寻找一条更理想的路线。复测完成后综合各方因素，认真评估，再三比较，初步形成如下的勘测报告：
工程分三段：第一段由丰台至南口，长104里。由丰台站外柳村起，经彰仪门，拟先就关内外铁路原开发的路修建，再延至南口。此段平坦，施工容易。
第二段由南口经关沟、八达岭至岔道城，长约33里，坡度最陡。由南口至八达岭，高低相距180丈，难以铺设轨道，须开凿山洞隧道。机车经石佛寺引上山，入青龙桥东沟后再折返穿过八达岭，形成“之”字形线路，这样可延长坡面，减少坡度，而且可大大缩短八达岭隧道的长度，仅3580英尺，比初测时的设计（约6000英尺）缩短近一半。竣工后在南口与岔道城两处，须多备机车一辆，用于上下斜坡时用两机车助推。
第三段由岔道城经怀来、宣化到张家口，长223里。沿路多良田，地价昂贵。响水堡至宣化间的鹞儿梁段，绕辛庄子迤西山嘴；在宣化至张家口间的石壑子段，绕行沙岭子山嘴。
在勘测路上，詹天佑在居庸关与到张家口游猎归来的金达相遇。金达趾高气扬地说：“中国人不能承担开挖山洞工程，因为中国人缺乏压缩空气机械设备以控制地下水，因而必须采用外国包工。我愿提议日本包工，因为他们具有所需的机械设备，且包工价比其他国家便宜，我愿招人投标承揽合同。”面对金达的提倡，詹天佑断然拒绝了。
3.准备
1905年6月18日，全线勘测完成后，詹天佑回到天津，历时十多天，编写了测量调查报告、各项经费预算，绘制了测量平面图、截面图等，并于7月初呈送袁世凯审批。测量调查报告是每条铁路建造中必须形成的文件，报告包括铁路沿线的地质地貌，工程设计，工时工费，以及保护维修，收益评估等。是向政府申报项目批准及建造与营运的依据。
詹天佑还多次面见清政府要员，汇报勘测情况，阐述设计方案。当问及是否有困难以及我们中国人能否修筑这项工程时，“真正的困难是在八达岭，那里需要开凿一座山洞。”詹天佑明确地回答，“我们中国人能够修筑此项工程！”
不久，詹天佑建造京张铁路的计划与预算就得到了批准。工程在他的一手筹划调度下，很快就走上了正轨。但工程正式启动之前，依然还有一系列前期准备工作不得不做。从土地的征用，经费的筹措，到材料、机车、设备等的购置，再到人才的调配，施工队伍的组建……事无巨细，他必亲力亲为。为了尽量节省开支，防止不合理的支出，避免亏损与浪费，他购置设备材料也总是亲自与外商直接洽谈签订合同，鉴定质量规格。
在征地过程中往往要涉及到一些官僚、贵族、地主的房屋宅地、祖坟动迁等，关系到风水、地脉时会遭到强烈的对抗与阻挠。尤其在北京附近，大都是各王府、贵族、皇室及其亲眷的地盘，常常恃皇亲国戚、八旗世族等权势或官场关系，拒绝出让土地。例如，京张铁路在清河镇，要通过满族贵族广宅的坟院。广宅是镇国公载泽的亲戚，在朝野势力很大，他为保住自家的风水宝地，坚决不让铁路通过，还雇人卧在线路上来阻碍施工。而当时这块区域，北面是郑王坟，南面是宦官坟，西面是慈禧父亲桂公坟，大改道需花费大量时间和经费；而且此例一开，今后征地将更加困难。广宅坚持要改道，又向邮传部官员行贿。詹天佑得知后，十分生气，以自己的去留向邮传部力争，一定要按原定线路施工。最后因以镇国公为首的五大臣被炸，载泽吓得不敢出门问事，广宅才因失去靠山而同意经其坟墙以外通过。
4.首段告捷
经过一系列的前期准备以后，1905年10月2日，京张铁路工程正式开始动工兴建。
按照詹天佑在勘测报告中制定的施工规划，京张铁路的第一段建筑工程是从丰台至南口，起点是柳村。这一段地势平缓，全长约104里。路基顺利建成后不久，1905年12月12日，詹天佑带领工程师陈西林等人来到柳村工地，主持铺轨开工典礼。在筑路工人和围观群众的一片欢呼声中，詹天佑在路轨上打入了第一颗道钉，接着陈西林工程师打入对面钢轨外侧道钉，随后全体工人一拥而上，铺轨正式开始。
当时，铺轨工程是相当艰难的，工地缺乏机械设备，没有机车和车辆运送钢轨，只好用线路摇车以人力推送钢轨到施工地点。在铺轨的第一天，工地上就发生了一场意外：工程列车中的一节车钩折断，造成车辆脱轨，工人了费九牛二虎之力才将其扶正。消息传开，有不少人认为京张铁路出师不利，对工程充满了疑虑。还有些原本就不看好中国自主修造铁路的人，借此大做文章，散播谣言，动摇人心。
詹天佑到事故现场认真察看，对断裂的挂钩进行研究，断定问题出在连接工程车车厢的挂钩上。断裂的挂钩是使用多年的旧式链子车钩，只能在平地行驶，无法承受大坡度线路的拉运。得知西方铁路中正在推广一种性能优越的新型自动式挂钩后，他对这种挂钩的构造进行分析，发现能够满足关沟地区在大坡道上，铁路铺设、火车开行对车间挂钩提出的更高技术要求。于是他毫不犹豫地在京张铁路上引进并使用这种自动挂钩。实践证明，这种自动挂钩不仅灵活，而且非常牢固，具有旧式车钩无法比拟的优越性，并很快就推广应用到了全国的铁路线上。
在詹天佑的指挥下，工程进展顺利，开工不到一年，1906年9月30日，京张铁路首段丰台至南口段建成试运。这天詹天佑还特地邀请众多宾客和官员，举办了盛大的通车典礼，以鼓舞上下士气。
5.克服天险战胜难关
首先要克服的天险，就是关沟地区，而难关是开凿隧道。关于天险，之前已经介绍。开凿隧道，在当时是一项十分危险的工程，各个地区地质地势复杂，石层性质、土质种类千差万别，在山体中大规模进行爆破、挖掘作业，很容易土质疏松，或地下水渗漏引起坍塌。洞中通风性差，容易导致施工人员呼吸不畅，甚至晕厥。因此要求配置各式开山机、抽水机、通风机等设备，开工前需工程技术人员进行一系列复杂而精确的测量和计算，并作出准确的设计方案。开工后，需要经验丰富的工人严格按凿线各设计方案进行施工。而无论是设备还是人才，在当时中国都是极为紧缺的。
詹天佑深知山势陡峻、地形复杂的关沟地区是整条京张铁路最重要、最艰巨的一段。多次勘测最终选定的路线要穿越居庸关、五桂头、石佛寺、八达岭几座高险的山峰，需要开山凿洞，填壑铺路。尽管詹天佑为节省经费，减少工程困难，想方设法来减少隧道工程，但由于考虑到减小坡度，保障列车的牵引力和安全等因素，最终还是不得不面对居庸关、五桂头、石佛寺、八达岭这四条横穿高山峻岭的隧道工程。