清政府准备兴建连接北京至张家口的京张铁路。由于这条铁路具有重要的战略价值，英国及俄国都希望得到建造权而相持不下。然而，在英国、俄国的铁路高级计划测量师和工程师在经过多次的探勘后认为难度极大。因为燕山山脉群中有不少的陡峰，其中被选为“第二隧道”的燕山二号峰其大部分的构成材质多为花岗岩以及玄武岩，很难使用一般的“炸隧开道”的方法，这使得列强让京张铁路追加预算资金。结果在袁世凯在1905年决定不用外国资金，亦不使用外国人，全部由中国自行修建京张铁路。詹天佑被任为总工程师，之后更兼任铁路总办。
京张铁路全长约220公里，由于要经过长城内外的燕山山脉，需要兴建不少隧道及桥梁，工程相当复杂。当时有部分外国人质疑中国人自行建造这条铁路的能力；詹天佑亦明白工程艰巨，并关系到中国工程师的声誉，但仍然坚持努力尝试。詹天佑从三条他亲自勘定的路线中，选择成本及线路走向、客流量均较为适中的一条。另一条他认为线路走向、客流量较好，但因造价较高而被迫放弃的路线，后来在1955年建成为丰沙铁路。最终京张铁路在四年后的1909年8月11日建成，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三十五万两白银。铁路上有四条隧道，其中八达岭隧道长1,092米，采用竖井方法挖掘；另外有二百米长，钢架结构的怀来大桥；此外还在八达岭段（尽是悬崖峭壁）则使用了“人”字轨道攀斜，解决了地势险要、坡度过大而资金有限的问题。京张铁路的成功建造，不单是中国近代工程史上的重要成就，对正掀起民间自办铁路风气的中国亦起了很大的激励作用。
京张铁路的线路是詹天佑从三条他亲自勘定的路线中，选择出建造成本较为适中而同时具有一定客流量的一条。
线路起自丰台车站，由西直门经沙河、南口、进入关沟居庸关，到达青龙桥车站，以长度1092米的八达岭隧道穿越八达岭长城，下坡沿军都山山麓到康庄，穿越今官厅水库淹没区至狼山进入怀来丘陵地带，过土木、沙城，再从桑干河支流的洋河谷地行进至鸡鸣驿、宣化，最后抵达张家口。
这条路线最困难的一段是南口至八达岭一带的关沟段，不单地势险峻，坡度亦很大。八达岭近青龙桥段，为了穿越燕山山脉军都山的陡山大沟，在22千米线路区段内采用了“人”字轨道，列车在用折返方法攀斜；但当时的最大坡度仍达33‰，原则上要由两部机车牵引(今为35.9‰加算曲线大约36‰为中国大陆准轨干线最大坡度。原因是原设计区间一段易遭洪水，日本侵略时期被日本人改线为今天的样子)。铁路上有四条隧道，其中八达岭隧道长1,092米，采用竖井方法挖掘；居庸关隧道长400米。另外有200米长的钢架结构的怀来大桥。
京张铁路自北京西直门，经居庸关、沙城、宣化至河北张家口，全长约201.2千米，京张铁路因具有重要的政治和经济价值，在俄国和英国两国觊觎、诸商纷争筑路的情况下，清廷要臣袁世凯多次与英俄协商最终确定由中国自己筹款修建，并于1905年5月上奏清政府提议尽快修建，清廷接受了袁世凯的建议后，袁世凯在资金和人才上精心筹划，任命陈昭常为总办、詹天佑为会办兼总工程司，于1905年9月正式开工建设，1909年建成，是中国首条不使用外国资金及人员，由中国人自行勘测、设计、施工完成，投入营运的铁路。
