这次京张铁路的轨距，詹天佑坚持使用 1.435 米的标准轨距。他说：中 国真正统一要从铁路的轨距划一开始。铁路像人体的血管一样，要能周流全 身。铁路四通八达，工商业便能跟着发展。

在丰台车站铺轨的第一天，京张路工程队的工程列车中有一节车钩链子折断，造成脱轨事故，费了很大力气才恢复原状，影响到部分列车的行驶。

那些不相信中国人自己能修好铁路的人，到处造谣说；詹天佑在钉道的头一天就翻了车，这条铁路不用外国工程师就靠不住。但列车钩链折断的事故却提醒了詹天佑：不仅要有坚固的路基和标准的轨距，还要使列车的车厢之间能够紧紧地联结在一起，特别是爬向高地或自高地下降，都必须十分安全。

这一系列的安全措施，都要在中国人自造的第一条铁路上全部予以实现。他说他不怕任何造谣，可怕的是不肯改正缺点。后来他终于发明了自动挂钩，使十几节车厢牢固地结合成一个整体。这种挂钩现在通用于全世界，人们称为“詹天佑钩”。

当京张路路轨铺到清河镇的广宅坟院时，便遇到了阻挡。前任锦州道员广宅是恭亲王载泽的亲戚，势力很大，雇人卧轨要挟，不让铁路从坟边通过。

这里三面都是高大的坟地，北面是郑王坟，南面是宦官坟，西边是那拉氏父亲桂公爷的坟。可是广宅坚持要铁路改线，甚至说可以出些银子酬谢。但为了避免一座大桥工程，又不可能改道。邮传部畏首畏尾也不敢拒绝广宅的无理要求，詹天佑非常生气，他认为接受别人贿赂，串通舞弊，这是绝大的侮辱，铁路计划断不能随便更改，他表示要以去留力争，非按照原订的线路前进不可。
直到载泽等五大臣从北京动身出洋“考察宪政”时遇到“刺客”，吓得载泽不问外事以后，广宅失去了后台，才软下来。由清河镇绅士贾士清说合，广宅应允可以从墓墙外修过去，但为了保持风水，要求另修一条小河，并派三品三员拈香设祭，路成之后再立碑纪念。詹天佑认为只要铁路修过去，其他小事可以暂且容忍，便答应了这些条件。铁轨铺过去以后，广宅又叫立碑，詹天佑便告诉工程队的人员不必再理他们。
这一时期，工款往往不能及时拨到，对工程影响很大。詹天佑不善于奔走权门，也不屑于奉承上司，但为了早日把铁路修好，又不得不抽出很多的时间跟权贵们周旋。他内心十分痛苦，还担心工程不能如期完成。

这一年，日俄战争爆发，关外炮火连天，北京却笙歌不辍。那拉氏陆续 移用海军经费数千万两来修颐和园；而人民负担着对外赔款，每年支出 4000 万两，榨尽了人民的血汗。清朝政府荒淫无耻，挥金如土，对于铁路建设经 费则十分吝啬。詹天佑本想“早一日清偿路款”“早一日收回路权”，但他 看不出这希望何时可以实现。

第一段工程于光绪三十二年八月十三日（1906 年 9 月 30 日）全部竣工 通车，修筑时间不到一年。
詹天佑在京张路第一段工程完工之后写了一封信给美国诺索卜夫人。诺索卜夫人是他在美国纽海文中学读书时的教师。他在信中充分地表示了他的信心和决心：
中国民众已知道建筑铁路的迫切需要。中国人要用自己的工程师和自己的钱来建筑铁路。现中外人士在注视我所主持的京张路工程。如果京张路工程失败的话，不但是我的不幸、中国工程师的不幸，同时带给中国很大的损失。在我接受这一任务前后，许多外国人露骨宣称中国工程师不能担当京张线的石方和山洞等艰巨工程，但是我坚持我的工程，现第一段工程已经完……
在修筑京张路第一段工程时，詹天佑还兼任沪嘉路的顾问工程师，参加津浦路、洛潼路的计划工作。
这一年，京张铁路总办陈昭常调任吉林巡抚，詹天佑擢升为总办兼总工程师，会办一职由广东人关冕钧担任，同时他坚持把他的老同学邝孙谋从开滦煤矿调来，邝孙谋从美国回来后一直在开滦工作，詹天佑希望大家都来参加中国人自己设计、自己建造的第一条铁路。他不愿意遗漏任何人，要使每一个工程技术人员都能在这条新路上献出自己的力量。和詹天佑一起工作的工程队的人员不但有工作经验，也有爱国热情。当时，除了干线外，还加修了两条运煤支线，他们不仅不认为是增加负担，反而感到分外高兴。
京张路第一段工程完工以后，紧接着就开始修筑第二段南口至岔道城的工程。这是京张铁路中最艰巨的一段。这一带遍布高山深谷，要筑路就必须开山填壑。但最艰巨的是在山势陡险的关沟开凿四个隧道。同时关沟一段的 路基斜度逐渐升高，坡道长达 8 英里，路基每 30 尺内必需升高一尺。詹天佑 知道这一段是全路成败的关键。因此，在开工以后，詹天佑立即将总工程师 办事处移到南口，专心主持工程，并下定决心，不打通隧道就不回北京。
第二段工程开工后不久，英国汇丰银行又故意拖付工款。詹天佑不得不去找邮传部尚书岑春煊催款。以便使工程如期进行。他在日记中写道： 5 月 9 日我向岑宫保（春煊）面陈早日修成京张路的三项理由：（一）

京张路是中国自筑的第一条铁路，每个外国人都在看着我们，如工程进行缓慢，他们一定讥笑我中国工程师没有建筑铁路的能力，不能担负筑路的责任；

（二）一部分款子已经用去，早日通车就能早日有收入；（三）现在全中国都需要建筑铁路，我们的政策是中国的铁路由中国人自己来修，因此中国的工程师十分需要，京张工程正在吃紧，无法分出人手，只有尽速完成京张路工程后才能分出人手为国家建筑其他铁路。岑宫保很注意这些意见，好像对最后一点意见，尤为感动。他表示要准备能使京张路在光绪三十六年完成的 必需公款。5 月 22 日岑宫保约我去谈话，他告诉我已有 65 万两银子，由度 支部拨邮传部，即转京张路作筑铁路之用（1907 年 5 月 22 日记）。

在第二段工程中，主要的是关沟一带的隧道工程。在居庸关和八达岭之 间，开凿四个隧道：居庸关、五桂头、石佛寺、八达岭，总长 1645 米。其中 最长的是八达岭隧道，长达 1091 米，居庸关次之。京张路路基是由南口入山， 经过关沟一南口河谷两侧内的峡谷而修筑的。

八达岭是这一带的最高峰，峰巅终年积雪。八达岭一带的地层几乎都是花岗岩。由于岩石起了风化，一部分铁铝渗透到了表面，大片岩壁显现红色，

因此又称“赤岭”。明代延庆州巡抚童恩曾题有“天险”两字。八达岭是居庸关的北口，与居庸关以南的南口相对称。两山间建筑着一座关城，北面额上题着“北门锁钥”四字。古书上说：“居庸之险，不在关城（指居庸关），而在此岭（指八达岭）。”

开凿隧道，不仅要有经验丰富的工程师，要有精密的测量，而且还要有新式的开山机、抽水机和通风机等等设备，可是当时没有这些设备，一切都要凭工人的两只手来开凿。

开凿隧道之先，必须经过精密的测量。当测定凿线以后又须勘查当地地质的岩层性能、岩层中土质所属的种类、地下的泉脉和废矿的旧窿等。

定线时，詹天佑首先考虑到节省经费，在万不得已时才凿隧道。同时又选择山岭最狭窄的地方开凿，使隧道线短平直，如遇山势险峭的地带，则采用螺旋环山法以减少隧道的长度，同时也免去坡度的急促。

居庸关山势陡险，詹天佑起初打算直线穿关而过，但这样必须拆毁许多关内的民房，为了不使山地居民因修铁路而倾家荡产，詹天佑选择了曲线的 办法，即绕道关东山麓，修建大拱桥一座，横跨漳谷，绕远 20 几米到山股开 凿隧道。

居庸关由于山势高，岩层厚，如果采用中距离掘进的开凿办法，在隧道中距离开井，垂直下去，再分向两端开凿，施工比较困难。詹天佑决定采用从两端向中点凿进的办法。定线是在山股的最狭窄处勘测，然后升至山岭审查隧道调线的方向，置经纬于“地点”，然后向“天点”取直，再反过来测量“人点”，这样使天、地、人三点连成一直线。再将经纬仪移到“人点”测视天、地点是否和人点准确地连接为一直线。测量准确以后，则于各点上竖立标杆，依此为标准，以定洞内的中橛；然后则用水平仪测量各橛相差的尺寸，依此绘成隧道的剖面工程蓝图。