青藏铁路建设面临着脆弱的生态、高寒缺氧的环境和多年冻土的地质构造等三大世界铁路建设难题。为了保护高原湛蓝的天空、清澈的湖水、珍稀的野生动物，青藏铁路仅环保投入就达20多亿元，占工程总投资的8%，是目前我国政府环保投入最多的铁路建设项目，并在全国工程建设中首次引进环保监理，首次与地方环保部门签订环境保护责任书；首次为野生动物开辟迁徙通道，位于可可西里国家级自然保护区的清水河特大桥，就是青藏铁路专门为藏羚羊等野生动物迁徙而建设的。
在生态环保方面，青藏铁路建设全程监控：在全国工程建设中首次引进环保监理；首次与地方环保部门签订环境保护责任书；在铁路建设史上首次提出“创质量环保双优”的目标；首次大面积移植草皮；第一次为野生动物开辟迁徙通道……
对环保工作的高度重视，使青藏铁路建设用于工程环保方面的投资预计达20多亿元，占工程总投资的8%。青藏铁路建设总指挥部总指挥长卢春房说，环保投资和所占比例如此之大，在国内建设史上尚属首次。
当青藏铁路修到家门口时，那曲县古露镇党委书记阿旺有些担心：这里是藏北羌塘草原上水草最丰美的地区，修建铁路会不会破坏草原？可铁路建设者在古露湿地建火车站时，投资110多万元，成功移植并建设了8万多平方米人造湿地。阿旺放心了：“虽然修铁路占用了一些草场，但是这里的绿色却没有减少。”
青藏高原是巨川大河的发源地，也是世界山地生物物种的重要起源中心，生态环境原始、独特而脆弱。国家环保总局、国土资源部、铁道部在铁路开工前，组成联合专家组对沿线生态环保工作深入调研，制定了具体的环保措施，并专项预算10多亿元用于生态环保工程。
青藏铁路建设总指挥部党委副书记才凡说，为解决“生态脆弱”这一难题，铁路在设计时就注意尽量减少对生态的影响。在自然保护区内，铁路线路遵循“能绕避就绕避”的原则进行规划。施工场地、便道、砂石料场都经过反复踏勘，尽量避免破坏植被。对植被难以生长的地段，施工时采用逐段移植；对自然条件稍好的地段，则进行人工培植草皮。参建单位与青藏两省区环保部门都签订了环保责任书，主动接受监督检查，全线还实行了环保监理制度。
青藏铁路经过可可西里和羌塘两个国家级自然保护区。为保护野生动物，铁路沿线修建了25处野生动物迁徙通道。青藏铁路建设总指挥部的电子监测证实，大批藏羚羊通过铁路沿线的野生动物通道自由迁徙。环保总局等部门的调查表明，青藏铁路开工建设以来，沿线冻土、植被、湿地环境、自然景观、江河水质等，得到了有效保护，青藏高原生态环境未受明显影响。
