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清政府决定修建北京到张家口的铁路，准备由中国“官办”自己修筑。但是已经控制了中国经济命脉的帝国主义国家纷纷插手。英国借口京奉路有英国贷款关系，而京张铁路是京奉铁路在北京地区的延长线，必须由英国工程师承办；沙皇俄国则以清政府向他许诺的“长城以北的铁路不能由第三国承建”为理由，要求由他承建。英俄之间虽然争执不休，但又感到修筑这条铁路过于艰巨，他们认为“中国会修关沟段铁路的工程师还没有诞生呢”，想借机难为一下中国，就同意由中国自己修建。1905年5月，清政府任命詹天佑为京张铁路会办(后改总办)兼总工程师，并且声明:不雇佣一个外国工程师，全由中国人自己修筑和经理。
詹天佑承担京张铁路的消息传开后，很多外国人根本不相信中国的工程师能完成如此艰巨的工程，国内也有人讥笑这是“不自量力”，“胆大妄为”。面对各种怀疑、嘲讽和中伤，詹天佑坚定地表示:“中国民众已知道建筑铁路的迫切需要。中国人要用自己的工程师和自己的钱来建筑铁路。”他勉励筑路的工作人员，说:“不论成功和失败，决不是我们自己的成功和失败，而是关系到我们的国家。全世界的眼睛都在望着我们，必须成功!”
1905年5月，詹天佑克服重重困难，开始进行筑路工程的筹备工作。他亲自带领技术人员和工程队做勘线工作，从丰台起始经广安门、西直门、清河、沙河到南口；再经过岗峦重叠、峭壁耸立的关沟段，登上最高峰八达岭；直到风沙弥漫的张家口。他们不怕风沙，不畏艰险，身背标杆，手拿仪器，在荒漠中跋涉，在悬崖上攀援，为了追求最佳选择，曾往返测量过3条路线，经过反复比较、论证，用了3个月时间，最终才选定了经南口、居庸关、八达岭这条施工路线。
为了加速修建京张铁路，詹天佑确定了分段施工、分段通车的办法。1905年9月，丰台至南口第一段工程正式动工。詹天佑在工程队人员的欢呼中，亲手在丰台车站铺轨现场钉下了第一颗道钉。在克服了资金缺乏、运输困难、贵族坟院挡道等一系列困难后，路轨铺到南口。
从南口到岔道城的第二段工程，最为艰巨。这一带虽然只有33里的路程，但遍布高山深谷，需要开山填壑。在山势陡峭的关沟地段开凿四个总长1645米的隧道，同时路基斜度逐渐升高，坡道长达25里，路基每30尺内必须升高1尺。这是修筑京张路成败的关键。二段工程开工后，詹天佑立即将总工程师办事处迁移到南口，专心主持工程，并下定决心，一天不打通居庸关和八达岭的隧道，就一天不回北京。
在开凿居庸关隧道时，由于这里山势高、岩层厚，詹天佑决定采用从两端向中点凿进的办法。他们又解决了渗水、塌方、通风等问题，使工程顺利进展。开凿八达岭隧道，则采用中距离凿井，向两端开凿的办法，还在洞内设置避险洞和通风楼，以防火车穿过隧道时在洞内操作的工人发生危险。不久，另外两条石佛寺和五桂头隧道也胜利完工。
第二段工程还有一个难题，就是这里地势险，坡度大，怎样才能使列车爬上关沟的最高峰——八达岭呢?如果沿山上攀，直达岭巅，坡度过陡，行车非常危险，而且工程造价也过高。詹天佑便从青龙桥起，利用折返线的办法，依着山腰作“人”字形的轨道，车到这里，改用两个大马力机车，一个前边拉，一个后边推，先推列车前进，到交叉点再往上拉。这样不仅缓和了路线的倾斜度，而且免去调机车的麻烦。加以每节车厢之间改为自动挂钩(詹天佑钩)，也就不易脱落，十几节车厢结合成一个牢靠的小整体，在大马力机车的牵引下，缓缓地爬上八达岭的顶巅。这是詹天佑在修路工程上创造性的设计。
1909年8月，从八达岭到南口的第三段工程完工，京张路全线通车。这条原计划需要6年才能修完的铁路，在詹天佑和技术人员、工人们的协同努力下，只用4年的时间就提前完工，而且工程费用还结存了28万两白银，完全达到了詹天佑预先提出的“花钱少、质量好、完工快”的三个要求。在中国铁路事业殖民地化加深的年代里，詹天佑和工程队完成中国自筑的第一条铁路的卓越成就，是富有历史意义的事件，不仅是中国科技界显示力量的里程碑，也是中国人民反帝斗争的一大胜利，是一曲雄壮的爱国主义的凯歌。10月2日，在南口车站举行了隆重的通车典礼，一万多位中外来宾参加盛会。一位广东来宾在演说中指出:“詹总办独运匠心，不用一个外国人筑成了京张路，让我们感谢詹总办，他替我们中国人吐了气!”而詹天佑却用质朴的语言非常谦逊地对与会的人们说:“这条铁路在开始修筑的时候，大家都觉得没有把握，可是今天终于通车了!这是京张路一万多员工的力量，不是我个人的功劳，成绩应该属于大家。”
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