詹天佑初战告捷后 ， 立刻遇到了更为严峻的考验 。1905年 ， 清政府决定兴建我国第一条铁路京张铁路（北京至张家口） 。英俄都想插手 ， 由于中国人民的强烈反对 ， 他们的企图没能得逞 。英俄使臣以威胁的口吻说：“如果京张铁路由中国工程师自己建造 ， 那么与英俄两国无关 。”他们原以为这么一来 ， 中国就无法建造这条铁路了 。在这关键时刻 ， 詹天佑毫不犹豫地接下了这个艰巨的任务 ， 全权负责京张铁路的修筑 。消息传来 ， 一些帝国主义分子及英国报刊挖苦说：“中国能够修筑这条铁路的工程师还在娘胎里没出世呢！中国人想不靠外国人自己修铁路 ， 就算不是梦想 ， 至少也得五十年 。”他们甚至攻击詹天佑担任总办兼总工程师是“狂妄自大”、“不自量力” 。詹天佑顶着压力 ， 坚持不任用一个外国工程师 ， 并表示：“中国地大物博 ， 而于一路之工必须借重外人 ， 我以为耻！”“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 。”
1905年8月 ， 京张铁路正式开工 ， 紧张的勘探、选线工作开始了 。詹天佑亲自带学生和工人着 ， 背着标杆 ， 经纬仪 ， 日夜奔波在崎岖的山岭上 。一天傍晚 ， 猛烈的西北风卷着沙石在八达岭一带呼啸怒吼 ， 刮得人睁不开眼睛 ， 测量队急着结束工作 ， 填个测得的数字 ， 就从岩壁上爬下来 。詹天佑接过本子 ， 一边翻看填写的数字 ， 一边疑惑地问：“数据准确吗”？“差不多” ， 测量队员回答说 。詹天佑严肃地说：“技术的第一个要求是精密 ， 不能有一点模糊和轻率 ， ‘大概’、‘差不多’这类说法不能工程人员之口 。”接着 ， 他背起仪器 ， 冒着风沙 ， 重新吃力地攀到岩壁上 ， 认真地又重新勘测了一遍 ， 修正了一个误差 。当他下来时 ， 嘴唇也冻青了 。
不久 ， 勘探和施工进入最困难的阶段 。在八达岭、青龙桥一带 ， 山峦重叠 ， 陡壁悬岩 ， 要开四条隧道 ， 其中最长的达一千多米 。詹天佑经过精确测量计算 ， 决定采取分段施工法：从山的南北两端同时对凿 ， 并在山的中段开一口大井 ， 在井中再向南北两端对凿 。这样既保证了施工质量 ， 又加快了工程进度 。凿洞时 ， 大量的石块全靠人工一锹锹地挖 ， 涌出的泉水要一担担地挑出来 ， 身为总工程师的詹天佑毫无架子 ， 与工人同挖石 ， 同挑水 ， 一身污泥一脸汗 。他还鼓舞大家说：“京张铁路是我们用自己的人、自己的钱修建的第一条铁路 ， 全世界的眼睛都在望着我们 ， 必须成功！”“无论成功或失败 ， 决不是我们自己的成功和失败 ， 而是我们国家的成功和失败！”
为了克服陡坡行车的困难 ， 保证火车安全爬上八达岭 ， 詹天佑独具匠心 ， 创造性地运用“折返线”原理 ， 在山多坡陡的青龙桥地段设计了一段人字形线路 ， 从而减少了隧道的开挖 ， 降低了坡度 。列车开到这里 ， 配合两台大马力机车 ， 一拉一推 ， 保证列车安全上坡 。
詹天佑对全线工程曾提出“花钱少 ， 质量好 ， 完工快”三项要求 。京张铁路经过工人们几处奋斗 ， 终于在1909年9月全线通车 。原计划六年完成 ， 结果只用了四年就提前完工 ， 工程费用只及外国人估价的五分之一 。一些欧美工程师乘车参观后啧啧称道 ， 赞誉詹天佑了不起 。但詹天佑却谦虚地说：“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 。”
京张铁路建成后 ， 詹天佑又继任了粤汉铁路督办兼总工程师 。这时 ， 美国决定授予他工科博士学位 ， 要他亲自去美国参加授衔仪式 。为了全力参加祖国铁路建设 ， 他放弃了这一荣誉 。
辛亥革命后 ， 詹天佑为了振兴铁路事业 ， 和同行了起成立中华工程学会 ， 并被推为会长 。这期间 ， 他对青年工程技术人员的培养倾注了大量心血 ， 他除了以自己的行为作出榜样外 ， 还勉励青年“精研学术 ， 以资发明” ， 要求他们“勿屈己徇人 ， 勿沽名而钓誉 。以诚接物 ， 毋挟褊私 ， 圭璧束身 ， 以为范例 。”

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