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张家口不仅是我国西北的军事重镇，又是通往内蒙古的商旅要道。1900年，清政府决定修建从北京通往张家口的京张铁路。
消息传出，帝国主义者都强烈要求修筑京张铁路。他们知道这条铁路在中国的重要性，掌握了它就能控制中国。帝国主义者争持不下，我国的爱国人士也强烈反对，如此重要的铁路，哪能由外国人来掌控！
以前中国的铁路都是由外国人承包修建，这一次，清政府决定用中国人来修建这条铁路。京张铁路全长200多公里，要穿过地势复杂的崇山峻岭，工程量巨大。英俄使臣以威胁的口吻说：“如果由中国工程师建造，我们便不再过问。可是建筑这条铁路的中国工程师还没有出世呢！中国人想自己修铁路，至少还得五十年。”
关键时刻，詹天佑毫不犹豫地接下了这项艰巨的任务，担任京张铁路总办兼总工程师。他明白京张铁路绝不仅仅是他个人的事，还代表着中国的形象与地位。
外国人等着看中国人的笑话呢，詹天佑顶着压力，坚持不用一个外国工程师，他说：“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这条至关重要的铁路。”
1905年5月，詹天佑背着标杆和经纬仪，骑着一头小毛驴从北京出发了，他带着助手们白天翻山越岭，勘测线路，晚上伏在油灯下绘图计算，核对资料。四个月的时间，走遍了整个京张铁路工程地区，制定出了一条最合理的省力省时省料的线路。
1905年12月12日，京张铁路终于破土动工，开始铺轨。铺轨的第一天，一列工程车脱轨了，本来只是一个车钩链子折断的小事，却成为了中国人不能自修铁路的证据，一时间，外国人抓住了这件事大肆造谣。詹天佑没有被困难打倒，他想方设法，用自动挂钩法解决了这个问题。
工程的第一阶段，地势平坦，工程很顺利完成了。
工程的第二阶段，短短的19千米，却要凿很深的山洞，从万里长城和八达岭穿过去，开凿四条隧道，这是整条铁路工程中最艰巨的一段。
居庸关山势险峻，岩石厚实，开凿隧道非常困难。为了提高工程进度，詹天佑提出炸开岩石的办法，一开始进度很快，但开凿到洞中几十米的地方，山顶的泉水哗哗地流出来，洞中无法下炸药，詹天佑带领工人们，浸泡在泥水里，从早到晚往洞外挑水。他与工人们吃住在一块，常常半个月也不离开工地一步。
凿通了居庸关隧道，接着开凿八达岭隧道。八达岭隧道要比居庸关的还要长。针对隧道太长的特点，詹天佑提出一种凿竖井的开凿办法，没过多少日子，这条全长1145米的长隧道，终于开凿成功。两大艰险工程完工后，其他两座隧道，也顺利完成。
从南口到八达岭地势太陡，如果采用常规的螺旋式线路，火车很难爬上去。詹天佑请教了当地老乡，运用“折反线”的原理，设计出了一段“人”字形的线路，使火车沿着斜的陡坡上山；经过一段距离后再折返，朝另一方向斜着爬坡。这样就降低了坡度，不用挖隧道，由两台机车一拉一推，就可以使列车安全上坡。
1909年10月2日，由中国人自己独立设计，独立修筑的第一条铁路干线——京张铁路建成通车。这条200多公里长的京张铁路，共有4条隧道，总长1700多米，架桥125座，涵洞200多个，动土石2亿立方，工程十分浩大。工程比原计划提前两年完成，费用结余28万余两白银，只有外国人预算的七分之二。
詹天佑给中国争了口气，也为中国铁路建筑史翻开了辉煌的篇章。詹天佑修建京张铁路期间，制定了各种铁路工程标准，我们现在仍然使用的4尺8寸半标准轨、珍氏自动挂钩等等，都是出自詹天佑的提议。