當京張路路軌鋪到清河鎮的廣宅墳院時，便遇到了阻擋。前任錦州道員廣宅是恭親王載澤的親戚，勢力很大，雇人臥軌要挾，不讓鐵路從墳邊通過。這裏三麵都是高大的墳地，北麵是鄭王墳，南麵是宦官墳，西邊是那拉氏父親桂公爺的墳。可是廣宅堅持要鐵路改線，甚至說可以出些銀子酬謝。但為了避免一座大橋工程，又不可能改道。郵傳部畏首畏尾也不敢拒絕廣宅的無理要求，詹天佑非常生氣，他認為接受別人賄賂，串通舞弊，這是絕大的侮辱，鐵路計劃斷不能隨便更改，他表示要以去留力爭，非按照原訂的線路前進不可。
直到載澤等五大臣從北京動身出洋“考察憲政”時遇到“刺客”，嚇得載澤不問外事以後，廣宅失去了後台，才軟下來。由清河鎮紳士賈士清說合，廣宅應允可以從墓牆外修過去，但為了保持風水，要求另修一條小河，並派三品三員拈香設祭，路成之後再立碑紀念。詹天佑認為隻要鐵路修過去，其他小事可以暫且容忍，便答應了這些條件。鐵軌鋪過去以後，廣宅又叫立碑，詹天佑便告訴工程隊的人員不必再理他們。
這一時期，工款往往不能及時撥到，對工程影響很大。詹天佑不善於奔走權門，也不屑於奉承上司，但為了早日把鐵路修好，又不得不抽出很多的時間跟權貴們周旋。他內心十分痛苦，還擔心工程不能如期完成。
這一年，日俄戰爭爆發，關外炮火連天，北京卻笙歌不輟。那拉氏陸續移用海軍經費數千萬兩來修頤和園；而人民負擔著對外賠款，每年支出4000萬兩，榨盡了人民的血汗。清朝政府荒淫無恥，揮金如土，對於鐵路建設經費則十分吝嗇。詹天佑本想“早一日清償路款”“早一日收回路權”，但他看不出這希望何時可以實現。
第一段工程於光緒三十二年八月十三日（1906年9月30日）全部竣工通車，修築時間不到一年。
詹天佑在京張路第一段工程完工之後寫了一封信給美國諾索卜夫人。諾索卜夫人是他在美國紐海文中學讀書時的教師。他在信中充分地表示了他的信心和決心：
中國民眾已知道建築鐵路的迫切需要。中國人要用自己的工程師和自己的錢來建築鐵路。現中外人士都在注視我所主持的京張路工程。如果京張路工程失敗的話，不但是我的不幸、中國工程師的不幸，同時帶給中國很大的損失。在我接受這一任務前後，許多外國人露骨宣稱中國工程師不能擔當京張線的石方和山洞等艱巨工程，但是我堅持我的工程，現第一段工程已經完……
在修築京張路第一段工程時，詹天佑還兼任滬嘉路的顧問工程師，參加津浦路、洛潼路的計劃工作。
這一年，京張鐵路總辦陳昭常調任吉林巡撫，詹天佑擢升為總辦兼總工程師，會辦一職由廣東人關冕鈞擔任，同時他堅持把他的老同學鄺孫謀從開灤煤礦調來，鄺孫謀從美國回來後一直在開灤工作，詹天佑希望大家都來參加中國人自己設計、自己建造的第一條鐵路。他不願意遺漏任何人，要使每一個工程技術人員都能在這條新路上獻出自己的力量。和詹天佑一起工作的工程隊的人員不但有工作經驗，也有愛國熱情。當時，除了幹線外，還加修了兩條運煤支線，他們不僅不認為是增加負擔，反而感到分外高興。
京張路第一段工程完工以後，緊接著就開始修築第二段南口至岔道城的工程。這是京張鐵路中最艱巨的一段。這一帶遍布高山深穀，要築路就必須開山填壑。但最艱巨的是在山勢陡險的關溝開鑿四個隧道。同時關溝一段的路基斜度逐漸升高，坡道長達8英裏，路基每30尺內必需升高一尺。詹天佑知道這一段是全路成敗的關鍵。因此，在開工以後，詹天佑立即將總工程師辦事處移到南口，專心主持工程，並下定決心，不打通隧道就不回北京。
第二段工程開工後不久，英國彙豐銀行又故意拖付工款。詹天佑不得不去找郵傳部尚書岑春煊催款。以便使工程如期進行。他在日記中寫道：
5月9日我向岑宮保（春煊）麵陳早日修成京張路的三項理由：（一）京張路是中國自築的第一條鐵路，每個外國人都在看著我們，如工程進行緩慢，他們一定譏笑我中國工程師沒有建築鐵路的能力，不能擔負築路的責任；（二）一部分款子已經用去，早日通車就能早日有收入；（三）現在全中國都需要建築鐵路，我們的政策是中國的鐵路由中國人自己來修，因此中國的工程師十分需要，京張工程正在吃緊，無法分出人手，隻有盡速完成京張路工程後才能分出人手為國家建築其他鐵路。岑宮保很注意這些意見，好像對最後一點意見，尤為感動。他表示要準備能使京張路在光緒三十六年完成的必需公款。5月22日岑宮保約我去談話，他告訴我已有65萬兩銀子，由度支部撥郵傳部，即轉京張路作築鐵路之用（1907年5月22日記）。
在第二段工程中，主要的是關溝一帶的隧道工程。在居庸關和八達嶺之間，開鑿四個隧道：居庸關、五桂頭、石佛寺、八達嶺，總長1645米。其中最長的是八達嶺隧道，長達1091米，居庸關次之。京張路路基是由南口入山，經過關溝一南口河穀兩側內的峽穀而修築的。
八達嶺是這一帶的最高峰，峰巔終年積雪。八達嶺一帶的地層幾乎都是花崗岩。由於岩石起了風化，一部分鐵鋁滲透到了表麵，大片岩壁顯現紅色，因此又稱“赤嶺”。明代延慶州巡撫童恩曾題有“天險”兩字。
八達嶺是居庸關的北口，與居庸關以南的南口相對稱。兩山間建築著一座關城，北麵額上題著“北門鎖鑰”四字。古書上說：“居庸之險，不在關城（指居庸關），而在此嶺（指八達嶺）。”
開鑿隧道，不僅要有經驗豐富的工程師，要有精密的測量，而且還要有新式的開山機、抽水機和通風機等等設備，可是當時沒有這些設備，一切都要憑工人的兩隻手來開鑿。
開鑿隧道之先，必須經過精密的測量。當測定鑿線以後又須勘查當地地質的岩層性能、岩層中土質所屬的種類、地下的泉脈和廢礦的舊窿等。
定線時，詹天佑首先考慮到節省經費，在萬不得已時才鑿隧道。同時又選擇山嶺最狹窄的地方開鑿，使隧道線短平直，如遇山勢險峭的地帶，則采用螺旋環山法以減少隧道的長度，同時也免去坡度的急促。
居庸關山勢陡險，詹天佑起初打算直線穿關而過，但這樣必須拆毀許多關內的民房，為了不使山地居民因修鐵路而傾家蕩產，詹天佑選擇了曲線的辦法，即繞道關東山麓，修建大拱橋一座，橫跨漳穀，繞遠20幾米到山股開鑿隧道。
居庸關由於山勢高，岩層厚，如果采用中距離掘進的開鑿辦法，在隧道中距離開井，垂直下去，再分向兩端開鑿，施工比較困難。詹天佑決定采用從兩端向中點鑿進的辦法。定線是在山股的最狹窄處勘測，然後升至山嶺審查隧道調線的方向，置經緯於“地點”，然後向“天點”取直，再反過來測量“人點”，這樣使天、地、人三點連成一直線。再將經緯儀移到“人點”測視天、地點是否和人點準確地連接為一直線。測量準確以後，則於各點上豎立標杆，依此為標準，以定洞內的中橛；然後則用水平儀測量各橛相差的尺寸，依此繪成隧道的剖麵工程藍圖。
定線以後，就開始施工。這時人們晝夜輪流工作，先按照釘在洞口事先測定的中橛向裏鑿進，鑿進幾尺以後，就把經緯儀搬到中橛上，按照原來測定的天、人各點的方向，再在洞內測定一個中點，以一根長6尺左右的漆杆為標識，用孔明燈的光線來反射把它顯現出來。洞內的中點必須精密準確，不能有絲毫差錯，這樣逐漸向前測量，定出中點，才能準確地完成全洞工程。
然後在隧道的兩端，每端配備60人，從兩頭同時開工，向中點鑿進。60人中鑿工40名，土石運輸工20名，鑿工以2人為一排，一個拿鋼釺，另一人拿鐵錘，輪流用鋼釺在岩石上打出兩米深的炮眼，再裝上炸藥，爆炸堅硬的岩石。而炮眼的大小、深淺、方位以及裝藥的分量，都由詹天佑來親自掌握。
在開鑿居庸關隧道中，以中間的二三百米為最難，因為這一段工程正在居庸關關城下，土石鬆脆，又值雨季，泥水齊流，炸藥也不能施其威力，所以隻能用大木方支撐，並用小鋼軌穿錯其間，節節前進，解決工程上的困難。當隧道鑿進幾十米以後，山頂的泉水滲入洞中，當時又沒有抽水機，洞中泥濘，工程進行很困難。但詹天佑並不灰心，他帶頭挑著水桶去排水。他常常十天半月和工人們在一起吃住，不離開工地。鑿洞工程到一定尺寸時，就用水泥砌邊牆環拱和作水溝等工作，因為洞身鑿到若幹尺時，必須用邊牆環拱抵禦兩旁和頂上的土石，以免塌落，水溝是用以排泄積水之用的。
居庸關隧道工程開工以後，中英公司以及其他帝國主義所豢養的外國工程人員，常常三五人一行，借打獵之名，去偷窺工程。對於中國人自己修建鐵路，他們是一直不甘心的，他們盼望著詹天佑失敗，以便伺機攘奪開鑿隧道工程的優先權。同時這些帝國主義分子還在報章雜誌上對中國工程人員加以誣蔑。此外，他們還到處活動，企圖奪得築路權，如光緒三十二年（1906年）三月，日本包商雨宮敬次郎上書督辦鐵路大臣袁世凱說：“京張鐵路須要開鑿山洞6000英尺，而中國的工程技術人員能鑿隧道的極少，工人又沒有經驗，若僅僅靠人工來開鑿此項工程，我認為很難完成。”因而，他建議袁世凱：仿用日本東京至甲府鐵路的辦法，用機器開鑿隧道，並延聘日本技師和鑽工指導開鑿隧道的技術。雨宮的建議表麵上好像是招攬工程圖利，而實際上是對中國工程技術人員的蔑視。
與此同時，帝國主義分子如金達等仍然瘋狂地從中破壞，力圖攘奪京張路的築路權。詹天佑在日記中徹底揭露了他們相互傾軋的醜態。他寫道：
1905年5月20日在居庸關遇到金達先生，他由張家口回北京。他說南口至岔道這一段路工的困難，出乎他的意料之外，據他估計京張全線費用包括車輛在內，需銀700萬兩。他說中國不能擔負開鑿山洞的工程，因為中國沒有通風機和抽水機，勢必雇傭外國包商。他建議雇傭日本包商，日本包商不但有通風機和抽水機，而且價格比其他外商都便宜，他可以找他們來承攬這一工程。……我問他700萬兩的預算是誰擬製的。金達答道是他擬製的。……我又告訴他說袁總督在折奏中已呈明不用一個外國人。金達說俄國告訴胡橘棻不要用外國人，這是一個誤傳，因為英國公使曾對他說過，英、俄之間對於此事並無這樣的協定。
我又在路上遇到摩力生博士，他對我說他非常高興看到中國正在建設京張路。他忠告我不要雇傭任何日本人，日本人正想插足進來。日本駐京公使就在試圖推薦兩個日本人，摩力生說假使有其他列強反對的話，英國一定做他們的後盾，因為這是他們的責任，他們有同盟關係。
詹天佑還在日記中揭露了奧地利領事魯德魏格想替匈牙利工廠壟斷京張路車輛的事實：
1905年8月26日，天津奧地利領事魯德魏格來訪，問我要不要從匈牙利工廠購買京張路的車輛。他說：“我知道唐山廠不能製造車輛，故前來介紹。”我和陳昭常鄭重地答複他說：“如果中國唐山廠不能替京張路製造車輛，我們將到天津各廠家去買。……我們絕不會找你，也不會找其他的廠家，唯一的方法是到我們自己的工廠買。”
詹天佑截釘截鐵地拒絕了魯德魏格的兜攬。
京張路的全體員工在詹天佑的領導下以實際行動粉碎了帝國主義分子的幻想，於光緒三十四年（1908年）四月十四日鑿通居庸關山洞。