多年冻土、高寒缺氧和生态脆弱这三大世界性难题给青藏铁路建设带来了极大困难。
青藏铁路沿线珍稀物种丰富，生态类型独特、原始，环境敏感，一旦破坏很难恢复。
如何破解多年冻土难题？
青藏铁路建设首次采取“主动降温、冷却地基、保护冻土”的设计原则，这对“被动保温”是一场革命。设计中，尽量绕避不良冻土现象发育的地段，遇到高温极不稳定的厚层地下冰冻土地段，采取“以桥梁通过”的办法。施工中，采用片石通风路基、片石通风护道、通风管路基、热棒、铺设保温板等多项措施，提高冻土路基的稳定性，其中不少冻土工程措施都是国内外首创。在青藏铁路上有一种特殊的路基，即在土路堤底部填筑一定厚度片石，上面再铺筑土层的路基。这种长达111公里的“片石层通风路基”为国内首创，它好似散热排风扇，冬季从路堤及地基中排除热量，夏季较少吸收热量，起到冷却作用，可有效保护冻土路基稳定。
青藏铁路建设专家组组长、冻土专家张鲁新教授认为，青藏铁路出现大规模冻土工程病害的可能性比较小，列车时速可达100公里以上，保持全年畅通没有问题。
如何确保建设者人身安全？
青藏铁路沿线年平均气温在零摄氏度以下，大部分地区空气含氧量只有内地的一半左右。高寒缺氧，风沙肆虐，紫外线强，自然疫源多，被称为人类生存极限的“禁区”。如何在严酷的环境下确保建设者生命安全，也是一项世界性难题。
铁道部和卫生部制定了完善的卫生保障措施，使医务人员与施工人员的比例达到1.5%-2%，全线配备常规医疗设备3900多台（件），职工生病在半小时内即送到工地医院得到有效治疗。遵循高原生理规律，所有参建人员在海拔较低的地区“习服”一周后，才准许到工地劳动。限定人员作业时间，采用机械施工，降低劳动强度。为了防止高原缺氧，建设单位在海拔4500米至5100米处创造性地运用高压氧舱，填补了国内外医学空白。在世界上首次进行高海拔地区人工制氧科学研究。在海拔4905米的风火山隧道，研制出每小时生产24立方米高纯度氧气的高原医用制氧设备，并将这一技术总结推广，全线共建大型制氧站17个，有效地改善了作业环境。风火山隧道建设中“青藏铁路风火山隧道制氧、供氧系统研制与应用”的科技成果,填补了目前世界上高海拔制氧技术的空白。
如何保护野生动物？
为保护青藏高原独特而又极为珍贵的野生动物资源，铁路选线尽量避开野生动物栖息、活动的重点区域，西藏段工程绕避了林周彭波黑颈鹤保护区。对必须经过野生动物活动区域的路段，组织专家研究野生动物保护问题，掌握沿线野生动物分布习性和迁徙规律，尽量减少对它们的干扰。青藏铁路沿线共设置33处野生动物通道，沿线路方向累计宽度近60公里。根据不同动物的迁徙习性，通道被设计为桥梁下方、隧道上方及缓坡平交三种形式。
如何保护高原植被？
建设者采用分段施工、植被移植的方法，先将施工区的草皮切成块，然后用铲车将草皮连同土壤一起搬到草皮移植区，专人负责养护。路基成型后，再把草皮移植恢复到路基边坡上。对昆仑山以南自然条件较好的地段，精选适合高原生长的草种，辅以适合的喷播、覆膜等技术，尽力恢复地表植被。在沱沱河、安多、当雄等高海拔地段，进行种植和移植草皮试验，获得成功后在全线推广，开创了世界高原、高寒地区人工植草试验成功的先例。
为保护高原湿地，青藏铁路尽量绕避湿地，必须经过湿地时，一般采取“以桥代路”、多设涵洞、路基基底抛填片石等措施，避免路基地下径流被切割，防止湿地萎缩。
