中日甲午战争和八国联军攻陷北京后，清政府又被迫签订了丧权辱国的“马关条约”与“北京条约”。除割地赔款外，帝国主义列强又在我国划分势力范围，攫取我国的铁路特权，控制我国的交通命脉进行政治、军事和经济侵略和掠夺。其时，日本《朝日新闻》写道：“铁路所布、即权力所及，凡其他兵权、商权、矿权、交通权，左之右之，存之亡之。一言以蔽之，殖民者操纵铁路，即能操纵一切。
清皇室每年春天有祭陵的习俗。清陵分东陵和西陵。东陵在河北省遵化县，西陵在易县。西太后叶赫那拉氏决定于1903年春，去西陵祭祖，这一举动，对刚刚被帝国主义列强侵略军蹂躏，创伤未复的河北省人民是一个很沉重的负担。袁世凯为迎合西太后，建议自京汉铁路的高碑店起，另修一条直达西陵的支线——西陵铁路(即新易铁路)。西太后极为赞同，委袁世凯全权主持。限6个月内完工，不得贻误祭陵日期。袁世凯当即委派英国人金达为总工程师，勘测并负责修筑这条铁路。法国驻北京公使对于中国委派英国人金达修筑，马上提出抗议，强烈要求派法国工程师承修，并声称这条铁路是向法国借款修建的京汉铁路支线，故法国工程师理应承担这项工程。英法两国竭力争夺这条铁路的修筑权，互不相让。结果双方被迫同意由中国工程师承担。詹天佑自然被推选为新易铁路的总工程师。但由于英法两国的争执，拖延了施工时间，距离清皇室祭陵日期仅剩4个月。
1902年秋，袁世凯派詹天佑为新易铁路的总工程师，责成他如期完成任务。詹天佑非常兴奋地承担了这项工程。这是中国工程师自修铁路的开端。但要按期完工，谈何容易。铁路施工正值严冬季节，天寒地冻，材料缺乏，运输力困难，面对各种阻力和重重困难，詹天佑凭着爱国热忱和一颗赤子之心，以科学求实的态度和埋头苦干的精神，领导和团结全体员工日夜兼程，连续奋战，戮力修筑，终于在4个月内完成了新易铁路的全部工程。
1903年3月初，西太后启程前往祭陵，对新修的西陵铁路十分满意。西陵铁路的修建，不仅为国家节省了费用，而且还提前完成了任务。由此，詹天佑得到西太后的信任和赞誉。同时赐以四品道台。这对詹天佑是个极大的荣誉和奖赏。自此，詹天佑在中国铁路广大工人和工程技术人员中树立了很高的威望，也为他后来修筑北京至张家口铁路铺平了道路。
四
张家口在居庸关外，地处北京的西北，为通往内蒙古的重要交通线，张家口在历史上一直是军事重镇。在经济上也有重要意义，由北京至张家口是南北商旅交易的要道，每年运输的货物有内蒙古一带输出的皮毛、驼绒和南方输入的茶叶、纸张等，在政治上清政府也急需和蒙古王公强化关系，由于军事、政治和经济上的需要，1904年清政府决定修北京至张家口的铁路，仍借英资，继续聘用英国人金达为总工程师，但是根据“北京条约”的规定，“长城以北为俄国人筑路权限，不能由第三国承建。”俄国人提出抗议；英国则认为“关内外铁路有中英借款关系，京张路是关内外铁路的延长线，必须由英国工程师来承办”，否则不予拨款。英俄双方为争夺筑路权，互不相让。经清政府多次交涉，时间拖延一年多，最后英俄双方达成默契，共同向中国政府提出：“在中国不借外债，不聘请外国工程师的条件下，该路允许中国政府自行修筑。”妄图以此苛刻条件要挟中国。英俄双方均认为：“詹天佑虽技艺超群，但孤掌难鸣，况且材料设备不足，必然失败，那时再来收拾局面，则更能获取实利。”
当时清政府和袁世凯已知道詹天佑的才华和实力，坚定了由中国人自己修筑京张路的决心，遂委任詹天佑为总工程师兼会办。清政府郑重声明“不任用任何一个外国工程师，此路全部由中国人自己修筑和管理，与他国无关。”
当詹天佑出任京张铁路总工程师兼会办的清息传出后，一些充满失败主义情绪、毫无民族自信心的人，有的冷嘲热讽詹天佑“自不量力”，有的咒骂他“胆大妄为”。对这些流言蜚语，嘲讽怒骂，詹天佑不以为然，坦然处之。他决心用事实回击这些妄自菲薄、没有民族自尊心的人。
1905年5月，詹天佑在工程技术人员异常缺乏的情况下，克服了重重困难，开始筹建工程机构，设立京张铁路总局于天津，设分局于北京西城丰盛胡同。设立材料厂在北京，在丰台设购地所。
工程总局和分局均由詹天佑自己负责，所有工程师均由詹天佑量才调度。詹天佑率领工作人员不怕艰难险阻，爬山越岭，实地考察、测线。通过勘测，选择了三条路线加以比较，最后决定选距离短、时间快、投资少的一条：全路从丰台以东京奉路柳村60号桥起，经西南门、居庸关、八达岭等地直奔张家口。全线长180余公里。由北京往西北的沿途，路经崇山峻岭、悬崖峭壁，山高坡陡，地形极为复杂，施工难度很大。最险要地段是南口至岔道城一段工程，要在居庸关、五挂头，石佛寺、八达岭一带开凿四条隧道，总长1645公尺。其中八达岭隧道即长达1091公尺，而且此路基逐渐升高。每40公尺，需加高一尺。面对施工的艰难险阻，面对社会舆论的压力，詹天佑不但没动摇靠中国人自己的力量、智慧和才华为祖国修筑铁路的决心，相反，在工作实践中更增强了为祖国争光，为中国人争气的信念！
1905年9月4日，京张路正式动工了。
在选线、测量和施工中，詹天佑经常勉励工作人员，他说：“全世界的眼睛都在望着我们，不论成功或失败，决不是我们自己的成功和失败，而是我们的国家！”“工程技术要求精密，不能有丝毫含糊和轻率。‘大概’、‘差不多’这一类说法，不应该出自于工程技术人员之口！”他身体力行，常亲自检查技术人员已测量过的地段。一次，有一个年轻的技术人员不高兴地说：“你既然不放心，又何必叫我们来测量呢？”詹天佑十分严肃又非常和蔼地说：“并不是我不信任你们，科学工作，一丝不苟，多一个人检查总是好的。诸位的责任太重了！”年轻的技术员被詹天佑对工作高度负责、对技术精益求精的精神所感动，在施工中，对自己测过的线，一次次地复查，直到达标为止。詹天佑不仅对工作人员要求严格，对自己也常提醒，他在日记中写道：“惟责重益较才轻，而图终，必先虑始。”
在我国修京张铁路，当时的条件设备极差，既无开山机械、黄色炸药，也无通风和排水设备，詹天佑不耻下问，亲自请来老石匠共同研究，手抡大锤，深开炮眼，以奏开山之效。为加快工程速度，隧道由两端向中点凿进，同时动工。1906年5月22日居庸关、五挂头、石佛寺、八达岭全部打通了。为解决青龙桥坡度大，设计了“人”字型轨道，用两辆重型机车进行前后推拉。英国工程师金达等人以打赌为名暗中偷偷窥视京张路修筑情况，他们企盼京张路失败，轻蔑讥讽地说：“中国修筑这样难度高的铁路的工程师尚未诞生呢？！”员工们看见金达等洋人偷窥修路情景，站在山坡上高喊：“洋鬼子们开开眼吧！中国人也能修筑铁路了！”
因山高陡峭，负荷量大，运送材料车箱之间的链条折断，列车颠覆在山上，洋人工程师都幸灾乐祸，借机大肆扬言：“中国人怎能自己修铁路呢！要想修成京张路，非外国工程师不成！”詹天佑并不灰心，他根据自己在国外留学时老师讲过的有关原理，结合自己修新易铁路的实践经验，刻苦研制成功了“自动挂钩法”，解决了这一难题。后人称之为“詹氏挂钩”这一方法，在西方和日本等国也被推广应用。
京张铁路于1905年9月开始动工至1909年9月24日历经四年时间全线通车。
在时间上，比原计划提前两年竣工，节余工程费用28万余两白银；工程质量，堪称世界一流。出色地完成了詹天佑于开工前提出的“花钱少、时间短、质量高”的计划。从此结束了中国人自己不能修铁路的历史。
1909年10月2日在南口车站举行盛大通车典礼，出席典礼仪式的，有清政府邮传部尚书徐世昌，有驻北京、天津的各国使节、领事和铁路工程师、中外记者和铁路员工万余人参加。中外人士对詹天佑亲自领导和指挥修建的京张铁路一致称赞和钦佩。英美等国家工程学会特聘詹天佑为荣誉会员；香港大学授予詹天佑博士学位。清政府赐詹天佑为二品大员，月俸纹银600两予以嘉奖。
通车典礼上，詹天佑在一片热烈的掌声中，登台讲话。他谦虚地说：“开始修建京张铁路的时候，大家都觉得没有把握，可是今天终于通车了。这是京张路一万多员工和沿途广大老百姓大力支援的结果。这不是我个人的功劳，光荣属于中国人民，属于大家……”
是的，筑成京张路是靠中国人自己的智慧、才华和力量，它不仅长了中国人的志气，增强了民族自信心，而且也是中华民族近代史上反帝反殖斗争的又一胜利。正如周总理在生前讲的：“詹天佑是中国人的光荣！”地质学家李四光称赞：“詹天佑完成的事业给中国人出了一口大气！”
京张铁路建成之后，詹天佑又踏上了祖国铁路事业建设新的征程。
五
1919年3月詹天佑由民国政府派遣参加以美英为首的在海参崴召开的协约国监管远东铁路会议。当时詹天佑虽然不情愿参加了这种帝国主义列强的分赃会议，加之身体状况欠佳，难以支持，但为了维护国家主权，带病参加这次远东铁路监管会议。会上，他以无可辩驳的事实，竭尽心力和那些狡黠的帝国主义列强的代表作了坚决的斗争，他坚持反对由“协约国委员会”来监管中东铁路。
他义正词严地说：“中东铁路原是中俄两国合办，而中国又是大战参加国之一，且有维护该铁路秩序的能力，本应由中国人自己管理中东铁路。”但是由于帝国主义列强一致反对，加之北洋军阀的腐败无能，詹天佑虽然作了最大的努力，结果只得到了中东路可以聘用中国工程师的一项权益。
詹天佑先后参加了海参崴、哈尔滨远东铁路监管会议，历时两个多月。是时，正值北疆严寒季节，气温经常在零下四五十摄氏度，对于一个长期生活在南方，且患了阿米巴性痢疾的老人，体力实在难以支撑，加之参加会议期间，每天忙于看材料、写方案，准备驳斥谬论的发言稿。疲劳过度、积劳成疾，患了严重的阿米巴性痢疾，不得不于1919年4月15日回到汉口住院治疗。当汉口铁路同仁到车站迎接他的时候，几乎认不出他的模样了。当时，他疲惫不堪，枯瘦如柴。4月23日晚，詹天佑的病情加重，语不成声，只能用手在被子上写字示意。临终前，他念念不忘的仍是维护国家的主权，发展中国的铁路事业。1919年4月24日下午3时30分，中国近代史上杰出的铁路工程师，爱国科学家詹天佑与世长辞了，终年59岁。