虽然不可避免，但还是可以尽量缩短隧道长度，减少工程量。詹天佑在这上面下了很多工夫，如在八达岭创造性地设计了著名的“之”字形线路，使原计划隧道缩短了一半。即便如此，八达岭的隧道工程属当时国内首例，是世界铁路史上罕见的。另外居庸关隧道地质复杂，工程也相当艰巨。
首先开通的是两条比较短的隧道——五桂头隧道与石佛寺隧道。它的顺利完成，不仅鼓舞了大家的士气，更重要的是积累了宝贵的技术与经验。之后，詹天佑率领员工开向最艰巨的居庸关隧道与八达岭隧道。
对居庸关隧道的开凿，詹天佑亲自勘测定线，并指导施工。为加快进度，原拟采用中距离垂直凿井法施工，但他考虑到这里山势高，岩层厚，距洞底距离太长，若在隧道中点垂直凿井再分开向两端开工，施工难度极大。詹天佑逆向思考，从两端同时向中点开凿。但按这种方案施工的话，是关键的是准确定线。他经过精确测量与定点，运用扎实的工程学知识与方法，巧妙地解决了这一难题。居庸关隧道工程中段的核心部分，土石松脆，又遭逢雨季，泥沙交下，土石坍落，不能使用炸药。詹天佑用大型方木，依次支撑，并用小钢轨穿插其间，一步一步推进施工。
八达岭是关沟最大的一处天险，在对它进行勘测设计时，曾有两个方案：或截去长城一段，或再开凿一条隧道。经再三考虑比较，最终确定了开凿隧道的方案。
但要想在高峻陡险的八达岭上开凿隧道谈何容易。尽管在设计隧道时，詹天佑巧妙地提出了自青龙桥起采用“之”字形线路，以减缓坡度，缩短隧道长度，但最后定线时，八达岭隧道长度仍达3580英尺。如果按居庸关的施工方法，不仅会影响工期，也极难准确把握隧道方向。因而他决定采用直井法施工，即在两端开凿的同时，另在隧道上方山岭上开挖大、小直井各一座，垂直而下，直至与隧道深度平齐，再向两端开凿。这样一来，就同时有六个工作面在施工，大大加快了施工进度。
八达岭隧道于1908年5月22日全洞开通。在整个开凿隧道的过程中，詹天佑经常亲自带队现场施工，并精心安排各类人员，使人员配置得到优化。对炮眼的大小、方位、深浅，以及装药的分量都亲自把握，以防事故发生。它的顺利竣工，不仅为整条京张铁路的如期完工提供了保障，也向世界展示了中国独立修建铁路隧道的能力。
6.不辱使命，提前通车
1909年10月2日，在中国铁路建设史上是一个值得纪念的日子。这一天，是中国第一条自主铁路——京张铁路，动工四周年纪念日，同时也正是在这天，京张铁路举行了通车典礼。这天的南口，人声鼎沸，热闹非凡，汇集了全世界的目光。这是以詹天佑为首的中国工程技术人员与中国工人，完全用自己的技术与智慧，用中国自筹款项，独自自主修建的第一条铁路干线，其工程难度之大为中国乃至世界所罕见。
京张铁路的顺利竣工对当时的中国具有重大意义。半殖民地的中国，铁路总长度并不算少，但绝大部分由外国资本直接控制，或由外国资本插手控制股权、工程技术权与经营权等。而由中国政府或中国商办公司主持修建的铁路极其有限。这严重损害了中国的政治权利和经济利益。
另一方面，当时许多人都不相信中国人能自主修建铁路，甚至在京张铁路开工之后，嘲笑与诋毁纷至沓来。在居庸关隧道与八达岭隧道建设的一年多时间里，西方、日本等国工程技术人员常常以行猎为名，来偷窥工程情况。回去后用各种名目来中伤京张铁路的修建工作。例如八达岭隧道进入关键阶段时，西方媒体在报纸上刊登了一则谣言“有一百多人在八达岭山洞中丧生”，意在煽动人们对詹天佑修建京张铁路的不信任和对滥用人力、残害民生行为的愤怒。
在这样的情况下，詹天佑修建的京张铁路不仅顺利完工，而且提前、高质量地竣工并实现通车，既是中国铁路建设史上一次振奋人心的创举，更是使外国人对中国刮目相看的奇迹。
京张铁路工程空前艰巨，而詹天佑为保证工程质量与山路行车安全快捷，所用铁路建筑材料、设备、机车、车辆等，均要求严格，标准很高。但詹天佑与中国技术人员直接管理工程、包工与材料设备采购时，精打细算避免浪费。如在“之”字形轨道上，为保行车安全，增加车的牵引力，在采购时毫不犹豫地花钱购买外国“2—8—8—2”型活节马莱大马力机车。而在采购车厢时，又顶住外国的压力，到各家商行查明价格，最终决定购买唐山机车厂生产的列车车厢。正因如此，京张铁路远比以前建筑的关内外铁路与同时期建筑的京汉、沪宁、津浦等铁路工程艰巨，而其建筑费用却远低于这些由西方国家主持修筑的铁路。建筑成本每公里费用仅为京汉铁路的一半，沪宁与津浦铁路的近三分之一。比计划整整提前三年竣工的京张铁路，在克服难度、缩短工期、优化质量、减少耗资等方面上所取得的巨大成功，为京张铁路赢得世界瞩目的同时，也奠定了詹天佑在中国铁路史上不朽的地位。
（二）汉粤川铁路
包括汉口至成都的汉川铁路和广州至汉口的汉粤铁路。
京张铁路建成以后，詹天佑威名远播，也更加繁忙紧张。曾同时应邀担任了四条重要铁路干线的建设要职。分别是张绥铁路、四川商办川汉铁路、广东商办粤汉铁路、河南商办洛潼铁路。身兼多职的詹天佑往来奔波于张家口、大同、北京、洛阳、广州、汉阳等地，足迹遍及大江南北，实地勘测，调查访问。虽已年过半百，常常感到力不从心，但他仍以饱满的热情跋山涉水，兢兢业业，为中国铁路事业尽其所能。
还在京张铁路的施工阶段，詹天佑就已经得知要主持修建其延长线——张绥铁路。该路所经山西大同一带是中国煤铁矿藏最丰富的地区；归绥（今呼和浩特）则是内蒙地区的首府，人口众多，又是通向包头与河套地区的必经之路。因此张绥铁路的修建具有重要的经济、政治与国防意义。
洛潼铁路是由河南洛阳至陕西潼关间的铁路，全长约240公里。在清政府向比利时借款修筑开封至洛阳间的汴洛铁路完工前后，河南民众就要求集商股自行修筑洛阳至潼关的洛潼铁路。1907年获清政府批准，1908年商办洛潼铁路公司事务所、董事会及工程处先后成立，并聘请詹天佑为工程顾问。洛潼铁路第一段自洛阳至渑池，第二段自渑池至张茅，第三段自张茅至潼关。
而汉粤川铁路，在这四条铁路中工程艰巨、政治经济意义重大，且各方面利益关系复杂。
1.川汉铁路
有“天府之国”之称的四川，地处中国西部，但对外交通十分险阻，自古就有“蜀道之难，难于上青天”之说。外国在瓜分完东南沿海及长江流域之后，对这块物产殷实的天府之国觊觎已久，都想通过揽包铁路来控制此地区的交通与物资。19世纪末，中国掀起铁路建设高潮以来，四川各界人民也热切盼望能早日建起通往外界的铁路，变险阻为通途，以促进资源开发，物资交流，发展经济，使百姓获益。但四川人民坚决抵制外国资本染指四川铁路。1904年清政府批准在成都设立“官办川汉铁路公司”，规划川汉铁路的修筑事宜。
当时四川各界都认为，要维护铁路路权，不仅要严防外交渗入，还要聘用本国人为总工程师，否则让外国工程师掌握全路工程技术大权，势必失去主动权。而当时詹天佑在中国工程界已享有盛誉，因而自然成为首选目标。四川总督“奏请简派詹天佑为全路总工程师”。此时，詹虽正忙于指挥京张铁路，不能立即前往四川。到了1908年，京张铁路关键工程已经完成，即将顺利竣工之时，四川再次奏请清廷准派詹天佑为川汉铁路总工程师，并得到了批准。詹天佑被任命为商界川汉铁路公司总工程师兼驻宜昌会办。但到京张铁路即将竣工前夕，清廷又任命詹天佑担负张绥铁路与津浦铁路参议等职。消息传开，川汉铁路公司和四川各界都特别担心詹天佑能否到川任职。
其实，詹天佑自1908年11月任川汉铁路总工程师兼驻宜昌会办后，一直十分关注川汉铁路工程，经常用书信保持与川汉铁路方面的联系，及时了解筹建情况，并就工程开工前后的各项事宜，给予具体指导。
1909年10月，京张铁路通车后，詹天佑于11月南下宜昌，在12月10日主持商办川汉铁路首段工程宜昌至万县的开工典礼。礼毕后，詹天佑又马不停蹄地赶回北京，一方面主持即将动工的张绥铁路的勘测选线，一方面则为川汉铁路招标定购器材，并将在京张铁路建设中培养成长起来的一批年轻可靠的工程师分批派往川汉线上。
从1904年开始筹建，到1909年正式破土开工，川汉铁路公司由于经费问题，在民间绅商与政府的较量中，由官办改为商办。其间错综复杂的关系也为以后川汉铁路的搁浅埋下了伏笔。首期的宜万段要穿越长江三峡数百里的险峻山区，工程的长度与难度都大大超过京张铁路的关沟地区，在当时中国工程界的设备与技术条件下是难以完成的。何况川路公司的工款项又严重不足。据估算，路工需银5000万两以上，而公司经数年努力，实际筹款也不过1100万两。更为棘手的是，商办川汉铁路公司内部各派的矛盾与斗争，造成公司内部管理混乱、腐败成风，事故迭生，经常发生挪用公款的事。另一方面，作为总工程师的詹天佑和一些技术人员，本应拥有的各项职权，却迟迟得不到保障，在人事调动、器材定购等事项上，处处受束缚，才能得不到施展，致使工程无法正常进行，川汉铁路施工进程缓慢。
2.粤汉铁路
1905年，在主张收回铁路路权，自主修路的热潮中，清政府就允许三省绅商分别集资，设立铁路公司，分三段修建粤汉铁路。但三省的具体筑路情况却各不相同：湖北为官办、湖南为官督商办，广东因绅商势力大，又有华侨支持，资金充足，实现了商办，成立“粤路公司”，负责筹建事宜，并于1906年首先开工建设粤汉铁路的广东段工程。
但当施工进行到源潭后，地势日渐险峻复杂，施工难度大增，加上粤路公司内部矛盾突显，派系争斗，导致路式放任，管理混乱，浪费与贪污盛行。这引起了股东们的强烈不满。
就在詹天佑正为川汉铁路建设中因受到种种人事掣肘而发愁时，广东商办粤路公司举行股东大会，以得票多少推选公司的总理与协理，结果詹天佑以得票最多当选总理。詹天佑愿意为家乡出力，欣然接受邀请，并于1911年初到广州赴任。他请原粤路公司总工程师邝孙谋接替张绥路的总工程师一职，自已开始投入粤路的建设。詹天佑首先对公司各机构人员进行整顿，又对施工纪律作了严格规定。这一系列的措施使得整个粤路工程风气焕然一新。
3.遗憾
好景不长，正当粤路工程初显成绩时，1911年5月9日，清政府颁布全国商办铁路干线收归国有的上谕，接着又与英、法、德、美四国银行签订借款合同，将粤汉、川汉两路路权出让给外国。这一卖路媚外政策激怒了各省绅商，保路运动如火如荼地展开。1911年10月10日武昌起义爆发，清王朝土崩瓦解，各地一片混乱，铁路建设也陷入全线停顿。粤路在以孙中山为核心的革命党人的支持下得以迅速恢复。全国铁路以赎买的方式收归国有，詹天佑的工作恢复正常。
1912年7月，詹天佑应邀赴上海商讨筹建粤汉铁路粤、湘、鄂三省协同进行、加快进展的事宜，并借机考察了湘、鄂的施工情况。之后，詹天佑被任命为国有粤汉铁路会办，仍兼商办粤路公司经理。不久，他回到广州，处理好粤路公司的一些工作后，于12月到达武汉，正式就任国有汉粤川铁路会办。这一时期，他仍继续兼任主持商办粤路公司，至1913年年中，他才正式辞去商办粤路公司总理兼总工程师的职务，专门担任职务。
詹天佑辞职后，由欧赓祥继任商办粤路公司总理，原副总工程师容祺勋升任总工程师。粤路于1916年6月修至韶关，至此，全长224公里的粤汉铁路的粤段工程全部建成通车。
詹天佑就任国有会办后不久，第一次世界大战爆发，英、法、美中断了对汉粤川铁路的贷款，只能依靠德国少量的贷款；同时战争引起建筑材料及设备价格飞涨，整个工程陷入了资金短缺的困境。詹天佑冷静分析，统筹规划，采取就款计工策略，集中有限的财力、物力，确保重点项目的正常施工。最终决定先暂停施工其他各段，将材料、设备、资金调出支援粤汉路湘鄂线上的武（昌）—长（沙）段与川汉路汉宜线的汉（口）—皂（市）段。然而到1917年8月，中国对德宣战，断绝了一切借款，德国工程团也被召回国。汉粤川铁路建设基本陷入瘫痪。
詹天佑在1912年至1919年间，主持汉粤川铁路工程建设，虽殚精竭虑，兢兢业业，艰难支撑，终因一战爆发及国内时局动荡，经济落后，资金得不到保障，到1919年4月去世，也没能亲眼见到汉粤川铁路通车。
1923年，以孙中山为首的广东军政府以商办粤路公司“办理腐败”，将粤路接收。30年代初粤路再次复工，于1936年6月与湘鄂段接轨。这样，历经磨难的粤汉铁路，自1906年开工，至1936年全线通车，历时30载，成为连接南北的大通道。而川汉铁路更是在新中国成立以后才得以重新建设完工。