京张铁路长约200多公里，经过长城内外的燕山山脉。这一带到处是崇山峻岭，南口到岔道城的“关沟段”尤为险峻，八达岭是最高峰。詹天佑负责修建京张铁路的消息刚一传出，帝国主义分子马上挖苦说：“会修铁路通过关沟段的中国工程师还没出世呢！”攻击詹天佑出任京张铁路总工程师是“狂妄自大”，“自不量力”。当时国内不少人对自建这样的铁路也是缺乏信心的。詹天佑一心为国争光，顶住了来自国内外的一切怀疑、非难和诬蔑。
1906年10月24日，他在给他在美国求学时的一位老师的信中表明了他的决心和信念：“中国已经醒过来了。中国人要用自己的工程师和自己的钱来建筑铁路，我好像是列在最前线的中国工程师。所有中外人士都在注视我所主持的京张路工程。如果京张路工程失败的话，不但是我个人的不幸，中国工程师的不幸，同时将会带给中国很大的损失。在我接受这一任务前后，许多外国人露骨宣称中国工程师不能担当京张线的石方和山洞等艰巨工程，但是我坚持我的工程，现第一段工程已经完工……。”
詹天佑以惊人的毅力去完成京张路修建的每项工作。塞外经常狂风怒号，灰沙满天。人们随时都有被大风卷入深谷的危险。詹天佑亲自率领工程人员，背着标杆、经纬仪在悬崖峭壁上定点制图。为了寻找一条理想的筑路线路，他常常骑着小毛驴在崎岖的山径上奔波；白天翻山越岭，晚上伏在油灯下绘图计算。
中国第一条自建铁路——京张铁路——“人”字形线路示意图
经过实际勘测和调查，他曾经选定过三条线路，其中有一条就是1949年后建成的丰沙线。这条线路较其它两条，列车通过能力更高，运输量更大，而工程也更艰巨，经费要超过原预算700万两银子的好几倍。腐朽的清政府对此是不会感兴趣的。詹天佑不得不放弃这条在他看来是比较理想的线路。
京张铁路最困难的是八达岭隧道工程。为了确保提前建成这条铁路，詹天佑决定八达岭隧道采用分段施工的方法。这在当时我国施工机械十分简单和落后的情况下，是很不容易的。为了保证隧道施工质量，詹天佑吃住在现场，亲自把关，对定线、定位，甚至对每一个炮眼的直径和距离都要亲自过目。他这样不分昼夜地勤奋工作，使现场施工的所有员工无不深受感动。詹天佑还创造性地运用了“折返线”的原理，在山多坡陡的青龙桥修筑一段“人”字形线路，使关沟段的线路坡度降低到33‰以下，八达岭隧道长度减少到一半。
中国第一条自建铁路——京张铁路
詹天佑还根据山区筑路的特点，就地取材，设计了许多具有民族特色、宏伟壮观的石拱桥。不仅节省了钢材，还大大降低了工程造价。詹天佑提出的“花钱少、质量好、完工快”的三个要求，都实现了。1909年10月2日，在通车典礼的会场上，中外来宾对詹天佑表示异常钦佩。他非常谦虚地说：“这是京张铁路一万多员工的力量，不是我个人的功劳，光荣是应该属于大家的。”
经过四年的建设，1909年8月11日京张铁路建成，10月2日通车，施工时间比原定缩短了两年；而建造成本亦比原来预算节省了三十五万两白银（也有一说是节约了二十八万两）。总费只有外国承包商过去索取价银的五分之一，可谓花钱少，质量好，完工快。在铁的事实面前，外国人也不能不折服。
