1884年，中法戰爭爆發，詹天佑駕駛的“揚威”號參加了戰鬥，因為“揚威”號的指揮官張成半路逃跑，詹天佑主動擔任了指揮官，並將敵人的旗艦狠狠地教訓了一頓。
幾年後，隨著中國鐵路公司在天津成立，詹天佑才得以舊夢初圓。灤河工程的建成不僅為中國人爭了光，同時也為詹天佑以後的工作打下了一定的基礎。
在這之後，中國決定修建北京到張家口的鐵路，因為鐵路所經之地是我國的經濟和軍事重地，所以英國和俄國都爭著要修這一條鐵路。後來雙方爭執不下，就對當時執政的清政府表態：
“這條鐵路除非由中國人自己來修，我們就不過問此事了。”
清政府於是決定自己來修建這條鐵路。1903年，清政府終於起用了中國自己的鐵路工程師詹天佑來修建京張鐵路。外國人聽到這個消息以後，都大為驚訝，他們認為按中國人的實力再過50年也完成不了這個工程。以至於詹天佑在給自己美國的一位老師寫信的時候說：“如果京張鐵路工程失敗了，它不僅是我一個人的不幸，同時它也會給中國人民帶來巨大的損失，我想我會用我所有的精力和時間來完成這一工程，這也是我堅持擔當這一工程的一個重大原因。”
從北京到張家口的鐵路全長二百公裏，這條鐵路不僅要經過崇山峻嶺的燕山山脈，同時還得穿過號稱天險的居庸關、青龍橋、八達嶺一段，這些困難沒有把詹天佑給嚇倒，他決定用穿山洞打隧道的辦法，穿過燕山山脈。京張鐵路僅僅在燕山山脈就打了四條隧道，最長的隧道有一千零九十一米。
打隧道雖然是一個解決火車如何穿過燕山山脈的一個方法，但是這個方法對貧窮的中國來說有些難處，因為這樣一來，消耗的資金不僅很多，同時還占用過多的勞力。經過反複的研究和探討以後，詹天佑在修建居庸關、青龍橋、八達嶺一段時便采取了“人”字形的方法鋪鐵軌，讓火車用兩個大馬力的火車頭前拉後推，然後到交叉點以後再調換方向。這樣循環交替，結果火車就能平平穩穩地上山了。後來人們為了紀念詹天佑的偉大壯舉，在青龍橋車站為他立了銅像。
1909年8月11日，京張鐵路終於完工通車了，並且比原計劃提前兩年完成。詹天佑的方法為國家節餘了二十八萬兩銀子。這條鐵路的修建成功也使得外國人交口稱讚。接著詹天佑又擔任了川漢粵川鐵路總工程師，並都圓滿地完成了任務。詹天佑為中國鐵路事業作出了巨大貢獻。