從65438到0888，詹天佑被他的老同學牟推薦到中國鐵路公司當工程師。失落七年的詹天佑，有機會投身祖國的鐵路事業。這個時候，正是津唐鐵路的修建。他不想在天津久住，就去了工地，和工人們同甘共苦。結果只用了80天就建成通車了。但李鴻章發揮了英國人金達的功績，提拔金達為總工程師。詹天佑的作品因此被抄襲。
1890年，清政府修內外鐵路(今京沈鐵路)，金達任總工程師。1892，項目到灤河大橋，很多國家都想拿下這個生意。當然，金達先拿了英國人，但英國人考克斯失敗了，因為橋建不起來。來自日本和德國的承包商也失敗了。隨著交貨期限的臨近，金達不得不問詹天佑。詹天佑詳細分析了各國失敗的原因，並對灤河河底的地質土壤進行了徹底的勘察。之後，他決定改變樁位，采用中國的傳統方法，和中國的潛水員壹起潛入河底，配合機器操作，順利完成打樁任務，建成灤河大橋。這場勝利增強了中國人民的雄心。1894英國工程研究協會選舉詹天佑為會員。？
1905年5月，京張鐵路總局工程局成立，陳任總經理，詹天佑任總經理兼總工程師。1906，詹天佑升任總經理兼總工程師。詹天佑顯然知道這個任務的難度。他首先要抵禦來自各方面的冷嘲熱諷:有人說他“不自量力”，“只花幾塊錢”，甚至“膽大妄為”。他在給美國老師諾斯羅普夫人的信中說:“如果京張工程失敗，不僅是我的不幸，也是中國工程師的不幸，更會給中國帶來巨大的損失。在我接受這個任務的前後，許多外國人公開宣稱中國的工程師無法承擔京張線的石工和窯洞這壹艱巨工程，但我堅持了我的項目。”。它充分體現了中國知識分子的愛國主義精神和民族責任感。
9月30日1906，工程第壹標段全部通車，第二標段同時開工。難點在第二節。首先必須打通居庸關、五桂頭、石佛寺、八達嶺四條隧道。八達嶺隧道最長1.092米。這不僅需要準確的計算和正確的指揮，還需要新的開山機、通風機和水泵。前者對於詹天佑來說不是問題，而後者在當時的中國是沒有的，只能靠工人的雙手，其難度可想而知。
他們克服重重困難，終於在9月1908完成了第二標段工程。三標段工程難度僅次於關溝。第壹座是張靜路上最長的橋——懷來橋，它由7根100英尺長的鋼梁架起。多虧詹天佑的正確指揮，才及時完成。4月2日1909次列車到下花園。下花園至雞鳴驛礦區段雖然不長，但工程難度極大。右邊是洋河，左邊是落基山。山上要開壹條六尺深的通道，山下要墊壹條七裏長的河床。詹天佑用山上鋪路的石頭墊了山下的河床。為了防止山洪沖擊路基，用水泥磚進行防護，順利完成了第三段。
帝國主義總想抓住這條路。工程開始時，日本人禦次郎禦宅門上書袁世凱，說:中國人無力修建這條路，還是請日本技術人員比較保險。英國人金達也來為日本說情。詹天佑斷然拒絕在這條路上雇傭任何外國人。居庸關隧道工程開工後，經常有成群結隊的外國人以打獵的名義前來窺探，希望工程失敗，以便乘人之危。詹天佑以優異的成績為中國人民定下了這壹基調。