居庸關隧道開工後不久，八達嶺的隧道工程也接著開工。八達嶺隧道總長三倍於居庸關隧道。詹天佑根據具體情況，認為八達嶺隧道洞身過長，如果從兩端對鑿，不僅不容易準確掌握，而且耗時較長。所以他決定用中距離鑿井的辦法。就是在洞身的中部開鑿一座大井，重直下去分向洞的兩端開鑿。其工程辦法是先將中線和水平測準以後，即施工進行開鑿，等到鑿進稍深以後，在井口架設轆轤，以便載運工人上下，運出井內土石和積水，並將井外的器材炸藥等運入井內。這個直井深25.6米，直徑3米。井工完後，把原定的中線移到井底，據中線方向分頭進鑿。後來，詹天佑發現井內炭氣很重，影響工人操作和健康，又命令在井口設扇風機，連接鐵管，輸入空氣，並用手拉風箱補助之。他還考慮到通車以後，洞內檢修工人的安全問題，因而在洞內設避險洞和通風樓。通常隔91.5米有一個避險洞。這樣在火車過洞的時候，工人就可以暫入避險洞，以免發生危險。詹天佑就是這樣處處為工人著想。這條世界知名的長達1145米的八達嶺隧道，在詹天佑正確設計和工人們集體創造下，戰勝了一切困難，於5月20日全部打通了。
詹天佑於打通了這兩個隧道以後，特地邀請外國工程界金達、喀克斯等人來工地參觀，並為他們開一個工地茶會。當他們坐著專車巡視過新修的兩個隧道以後，金達、喀克斯以及日本人雨宮等都不得不對詹天佑領導下的京張路全體員工表示敬佩。詹天佑在日記中寫道：
1908年金達到工地參觀後表示敬意。10月21日來信說：“我在南口承招待深為感謝。你已很經濟地完成了十分完善的工作，這要歸功於你和部屬。”
這時，關溝段的幾段艱險工程已基本解決，其餘兩個不長的隧道——石佛寺、五桂頭，接著也勝利完工了。
隧道工程雖然全部勝利完成，可是八達嶺附近地勢陡，坡度大，怎樣才能使列車爬上這關溝的最高峰呢？如果沿山直上，直達嶺巔，坡度太大，不僅行車危險，而且工程造價也過大。詹天佑便從青龍橋起，利用折返線的辦法，依著山腰作“人”字形的軌道，車到這裏，改用2—8—8—2大馬力機車兩個，一個在前麵拉，另一個在後推，先推列車前進，到交叉點再往上拉。這樣不僅緩和了路線的傾斜度，而且免去調機車的麻煩。加以每節車廂之間改為自動掛鉤（詹天佑鉤），也就不易脫落，十幾節車廂結合成為一個牢靠的整體，在大馬力機車的曳引下，緩緩地爬上八達嶺的頂巔，這又是詹天佑一大創造成果。
京張路的第三段工程，由岔道城到張家口的工程，也同時興工。
宣統元年（1909年），火車已通到懷來縣。懷來河大鐵橋是京張路中最長的橋梁，是用30.5米長的七座鋼梁架成的。在第二段工程中，詹天佑已用騾車將鋼梁分別運到懷來河工地，按釘成橋，因而沒有耽誤全路鋪軌工作。在第三段工程中，由岔道城以北經過康莊、懷來、土木、沙城、新保安、下花園等處，都及時地建築了車站，由於各地地勢較平，工程還比較容易。惟下花園到雞鳴驛礦區的岔道，雖然僅4裏左右，但必須沿山鋪築路基，工程較難。由雞鳴驛山順沿大河過蛇腰灣、老龍背達響水鋪，這一帶右臨羊河，左傍石山，須順山開鑿6丈深的通道，再用這些石塊墊高六七裏長的河身。同時，為防河水大漲或山洪暴發，衝塌路基，必須用水泥磚保護。施工之難僅次於關溝。
在第二、第三段工程中，由於崇山和湍流極多，因而需要建築許多橋梁，可是，鋼橋的成本極高，京張路所需的器材全是靠外國進口的，不但價格昂貴，而且來貨時間又長，詹天佑就盡量利用我國自造的水泥和石料來改築成旋橋。這些旋橋，不但堅固，而且耐用。詹天佑常和工人們說：“這條路若給美國人來修建，這些橋梁就必須全用鋼橋了。美國公司又好乘機做一筆大生意了。”他又說：“鐵路的資本，工程上要占大部分，假設完全由外國人來承修，所花的錢必多。”這裏便可看出詹天佑如何善於因地製宜、就地取材利用物資和嚴肅負責地使用國家資金的工作作風。
宣統元年由二月十二日（1909年4月2日），車通下花園，離張家口僅33裏。四月初九日，車通宣化府。四月七日，全路釘軌工程完成。八月十一日京張路全線通車。
京張鐵路全線完工後，九月十九日，郵傳部尚書徐世昌在詹天佑陪同下，乘火車勘驗了沿線工程。
徐世昌將勘驗經過呈報清朝政府，呈文內除敘述京張路工程的修建經過外，更著重指出：“京張一線為我國鐵路北幹之起點，其居庸關、岔道城二處，漢、唐以來，曆經百戰，夙稱天險。鳴工之初，外每疑華員勿克勝任。近來歐美士夫遠來看視，嘖嘖稱道，僉謂青龍橋、鷂兒梁、九裏塞三處，省去洞工，實這條原來計劃需要6年時間才能修完的鐵路，在詹天佑和工人們的努力下，隻花了4年時間就提前完工了，而且工程經費還結存了28萬餘兩銀子。
京張鐵路的建成，一方麵提高了中國人自辦鐵路的信心，使帝國主義分子不敢再輕視中國科學技術人員，為中國的科學技術人員樹立了榮譽。另一方麵溝通了南北貨運，並極大地打擊了英國北侵和帝俄南犯的野心。同時，京張路的建成也是科學技術在舊中國初次戰勝迷信和保守，對當時社會風氣的改變，也起了一定的影響。
詹天佑修成京張路後，應商辦廣東省粵漢鐵路總公司的聘請，於宣統二年（1910年）回到了故鄉——廣東，就任粵路總理。民國元年（1912年）3月他在群情擁戴之下，被選連任。同年5月，就任漢粵川鐵路會辦，民國3年（1914年）6月任該路督辦，辭去粵路總理職務，其時粵路已通車到大坑口和烏石。漢粵川鐵路是橫貫中國中部、南部和西南部的幹道。他自宣統元年（1909年）起至民國八年（1919年）逝世為止，一直在為建設漢粵川鐵路而努力。
在築路的同時，詹天佑還關懷青年工程人員的成長。在《告青年工學家》一文中，詹天佑勉勵青年要努力研究以求創造發明。“……精研學術以資發明。鏡以淬而日明，鋼以煉而益堅，凡諸學術，進境無究，駕輕就熟，乃有發明。……返觀乎我國工學界，則所發明者尚稀有所聞，豈智力不若歐美，而司蒂芬遜、瓦特、弗蘭克林、毛利之輩，不能產生於中國耶？曰否，惟怠於深求，研究不足所致耳。青年學子，一出校門，輒輟學業，得一位置，已自滿足。及至實地工作，亦惟求稱職而已。至於退食之暇，尚發奮求學者實為少數。”他教導青年要加強修養，他說：“勿屈己以徇人，勾沽名而釣譽。以誠接物，毋挾偏私，圭璧束身，以為範則。不因權利而操同室之戈，不以小忿而萌傾軋之念。視心事如家事，以己心諒人心。皆我青年工學家所必守之道德也。”他勸告青年們要虛心地學習，要安心於細小的工作，他說：“行遠自還，登高自卑，一蹴而幾，非可永久，工程事業、必學術經驗相輔而行，徒恃空談，斷難任事。……勿襲高訝之學說，勿以下臣為鄙夷，勿方出校門，遽以為人不我若，……力祛驕矜，以勤慎為方針，務求深造。……若夫浮躁狂妄者流，未有不敗者。”他最後指出青年們工作要有計劃性，謹慎從事，要愛護公共財產，免得給國家造成損失。詹天佑的這些話，在今天，還是值得我們重視和學習的。
六、逝世
1914年，第一次世界大戰爆發了。這是一場帝國主義國有之間的狗咬狗的戰爭。每個參戰國都想從對方掘取土地、資源、財富。
1917年，十月革命的一聲炮響，一個嶄新的社會主義國家誕生了。帝國主義各國對這個新生兒感到無比的恐懼，他們聯合起來要把這個紅色的政權扼死在搖籃裏。他們對蘇維埃實行武裝幹涉，不承認新的政權，瓜分帝俄在殖民地的工廠、鐵路、礦山等。帝俄在中國修築的鐵路也成了瓜分的對象。於是，他們陰謀組成特別委員會監管西伯利亞鐵路及中東鐵路。監管中東鐵路又涉及中國的主權，因中東鐵路原屬中、俄合辦的，因此北洋政府，也參加了這個委員會。
監管鐵路一定要涉及到技術問題，因此該會又設立了“技術部”。“技術部由出兵西伯利亞各國的鐵路專家組織之，以便管理該區域內各鐵路之技術經濟事宜。”
北洋政府便派詹天佑去參加協約國的會議，並任他為該委員會技術部的中國代表。詹天佑極不願意參加這一次帝國主義的分贓會議。他知道自己不善於辦外交，再加上健康情況很差，當時他曾向北洋政府的交通總長推辭過。但因總長不同意，又加上無其他合適人選，不得已，詹天佑還是去參加了會議。
在海參崴和哈爾濱的會議上，詹天佑為了維護國家主權的完整，竭盡心力和那些狡黠的帝國主義國家的代表作鬥爭。他堅決反對由所謂“協約國委員會”來監管中東鐵路，他說，中東鐵路原係中、俄兩國合辦，而中國又是大戰的參戰國之一，並有保持該路秩序的能力，所以中東鐵路應歸中國管理，但是由於各帝國主義國家的反對，和北洋軍閥的腐敗無能，他雖盡了最大的努力，僅僅得到中東路得以雇用中國工程師的一項權利。
在海參崴和哈爾濱連續開會兩個多月，詹天佑終日看資料，做方案，寫發言稿，由於過度疲勞，又加上氣候嚴寒飲食不調，他的身體消瘦得很厲害。同時又常常失眠，有時整夜不能入睡。後來，他患了嚴重的阿米巴性痢疾，且病情日趨嚴重。他決定回漢口醫治和療養。
民國8年（1919年）4月15日，他離開哈爾濱，於20日到漢口，當湘鄂路局和漢粵川總公所的同仁到車站接他的時候，幾乎不認識他了。他瘦得厲害，同時精神頹靡，說話聲音很小，大家問候說：“你辛苦了。”他說：“隻是身體支持不了。”他和大家作了極簡短的寒暄後，就回家休息了。第二天，他的老友吳希曾和詹宅聯係，才知道他當晚就進了仁濟醫院。原來他在上年秋天曾患一次很嚴重的赤痢，體力大虧，這次的病情主要是身體衰弱痢疾複發。
23日晚，詹天佑病情加劇，語不成聲，要用手在被上寫字示意，當時隻有他的次子詹文琮和他的老友吳希曾陪伴他。詹天佑自知病勢嚴重，就費力地口述了他臨死還關心的幾件事，由文琮筆錄，作為他的遺囑，上書給北洋政府總統。
“‘中華工程師學會’，被舉廖充會長，……竊謂工程學會影響於中華實業至要且宏，興國阜民，悉基於此。將來仍懇鈞座不棄菲葑，眷懷葵藿，俾有以振奮而發揚之。管理俄路一役代表之職，亟宜慎選通才。其甄用技術人員，尤應精求上駟，並設法優加鼓勵，以期與協約國各員驂靳而鑣揚，庶足外揚國光，內吐口實。其詳細理由，天佑已呈之交通部，鈞座倘采及芻蕘，實於東事裨益匪細。漢粵川路事，往年曾有就款計工之陳，蓋來款既艱，不得不先腳踏實地之策，所幸武昌長沙一路，業已通道開車，得寸得尺，惟力是視。第稀郴以上，限於款涸，猝難企圖，近者銀行困之英、法、美之國，要求取消德人權利，允再接濟工需，正宜乘此機會，建定計劃，以促進行。否則中道而止。坐視大利之拋荒，綰轂中樞，終成隔絕，商政國計，均非所宜，尚冀鈞座加意垂注。天佑畢生致力於工學，僅就本職之範圍而言。以上之端，鈞座倘賜之采納，得盡天佑未了之血忱，則天佑雖死之日，猶生之年。……所有天佑現管督辦漢粵川鐵路事宜及交通部技監員缺，應請飭部遴員呈請接替……。”
24日清晨，詹天佑的病勢加劇，哮喘流汗，氣息微弱，醫生多方診治無效。24日下午三時半，傑出的鐵道工程師——詹天佑與世長辭。享年僅59歲。
詹天佑的一生與中國鐵路事業相連。凡經他籌劃的鐵路，如滬嘉、洛潼、津蘆、錦州、萍醴、新易、潮汕、粵漢、京張等線，無不成績燦然。其中京張鐵路工程，不僅被當時歐美工程師視為奇跡，就是現在也還是世界上有名的鐵路工程之一。他為我國的鐵路史寫下了光輝的一頁，他將永遠留在人民心中。