津唐（山）鐵路通車後，清政府決定把鐵路繼續向兩頭延伸。西麵修到通州，東麵伸展到山海關。這時，詹天佑升任為修建鐵路分段工程師，負責督修從古冶到灤州段的鐵路。
1892年，鐵路修至灤河，必須架橋。由於灤河水流湍急，需要架一座堅固的大鐵橋。起初金達不相信中國工程師能修建鐵路橋梁，但在英、日、德籍工程師架橋相繼失敗後，隻得求助於詹天佑，任命詹天佑為總段工程師。詹天佑吸取了英、日、德工程師失敗的教訓，又親自傾聽參加過施工的技術人員的意見，還不辭辛苦地考察灤河的地質土壤情況，取得了第一手資料。詹天佑經過反複比較英、日、德三國工程師的設計方案和打樁方法後決定采用新的壓氣沉箱法修築橋墩。這一施工方法，在中國鐵路修築史上第一次使用。在詹天佑的指揮下，中國工人經過日日夜夜的奮戰，采用壓氣沉箱發修建橋墩取得成功，終於戰勝了灤河的急流和泥沙，建成了灤河鐵橋。
灤河鐵橋的建成，充分證明中國工程師不僅有吃苦耐勞的精神，而且有著巨大的創造力，使外國工程師感到驚訝欽佩。詹天佑開始在國際上享有聲譽。l894年，詹天佑被選為英國土木工程師學會會員。l961年4月l7日，《人民日報》刊登了我國著名科學家茅以升撰寫的《中國傑出的愛國工程師——詹天佑》一文中說：“這是外國人第一次吸收中國人參加其有較大代表性的學術團體。”詹天佑為中華民族贏得了榮譽。
1894年，鐵路已經修出了山海關，向東北繼續延伸，詹天佑被任命為關東鐵路關外段工程師。詹天佑在建築關外鐵路時，工作非常努力，工程師張美回憶說：“我跟張工程師釘道，西釘到落垡，東釘到營口，北釘到高山子。九梁河、小梁河，女兒河這些橋梁都是他修的。”由於慈禧太後要過六十歲生日，朝廷戶部競將鐵路工程經費暫停發放，用作萬壽慶典的花費。不久，甲午中日戰爭爆發，存放在旅順的6000噸路軌被日本侵略者搶劫一空。關外段鐵路還沒有開工就被迫停頓。1895年，詹天佑調去擔任（天）津盧（溝橋）鐵路工程師，那條鐵路於1897年完工。第二年，清政府決定繼續修建關外鐵路，詹天佑重新調到關外任職，擔任修建山海關到錦州段鐵師。l900年圓滿完成。這時八國聯軍侵入中國，天津、北京，沙俄又單獨進入占領東北三省。關內外鐵路落入英、俄帝國主義手中。成了侵略者運輸軍隊屠殺中國人民的工具。繼續延伸的關外段鐵路工程再度中止。詹天佑終於明白了：過去外國侵略者搶著在中國修建鐵路，不僅是掠奪中國的財富，還為了便於運兵打仗，或者鎮壓中國人民。他憤然離開被英、俄侵略者占據的關內外鐵路。
後來詹天佑應鐵路公司督辦盛宣懷聘請，到江南主持萍（鄉）醴（陵）鐵路工程。當時總工程師是美國人李治。他百般阻撓中國使用國際通用的l．435米的標準軌距。詹天佑看清楚帝國主義者的陰謀，他想，鐵路像人體的血管一樣，要讓血液周流全身才行。鐵路四通八達，工商業便能跟著發展。現在中國鐵路如果分別是英美製、比法製、日本製、德國製、俄國製幾種並存，那麼中國鐵路的軌距將永遠得不到統一，中國永遠讓帝國主義任意宰割。詹天佑堅持要求使用標準軌距。鐵路軌距的爭論有深遠意義，由於詹天佑堅持國際標準軌距，對我國鐵路事業的正常發展，起了一定的推動作用。
1902年秋，在八國聯軍侵華戰爭中逃亡到西安的慈禧太後回到北京。她不顧瘡痍滿目的慘景，卻急於要在1903年到易縣去祭掃祖陵，以向祖宗“請罪”。袁世凱為了討好慈禧太後，後，不顧當時的財力，建立慈諸太後修建一條從新城高碑店起直達易縣西睦的專用線，即京漢鐵路新易支線（又稱西陵支線）。袁世凱還對慈禧太後說：“坐火車為祖宗祭陵是從來沒有過的事情，可以光宗耀祖。”慈禧太後聽了以後喜上眉梢，大加讚賞，把修建新易支線的工程交由袁世凱主持。朝廷撥出白銀60萬兩，要求限期完工。袁世凱把修築新易鐵路的任務交給了詹天佑。雖然修築這條鐵路僅僅是為清朝王室祭陵的需要，但是作為中國人自己進行修築鐵路，這還是第一次。
詹天佑擔任新易鐵路的總工程師。這條全長約42．5公裏的新易鐵路，要在4個月內完成從測線、築路、鋪軌到通車，按經驗是不可能完成的。加上動工的時候，正值隆冬季節，完成任務確實是不容易的。詹天佑帶領全體工作人員，想方設法，克服困難。由於地麵表層凍結，打夯困難，他們就挖開表層凍土，再進行打夯。交通工具不足，運料困難，他們就用水鋪成冰道，借以精行。詹天佑還打破了“路基需要風幹一年才能打釘道”的框框，在保證質量的前提下，一邊墊路基，一邊鋪鐵軌。施工期間，詹天佑每天工作長達l5小時以上，有時通宵達旦。
1903年4月，新易鐵路按質按時完成通車。慈禧太後以道台官銜賞賜給詹天佑。道台官銜在當時是一個極大的榮譽。詹天佑繼續留在新易鐵路上，將路基改造為永久式。這條鐵路的興建在經濟上沒有多大價值，但它在政治上產生了一定的影響，因為新易鐵路是中國人自己設計建築的，它鼓舞了中國人用自己的人力、物力、財力建設鐵路的勇氣和信心，使中國鐵路工人和技術人員看到自己力量的所在。同時詹天佑在興修這積累了豐富的經驗，為他今後主持京張（張家口）鐵路幹線奠定了基礎。
在詹天佑從事修建鐵路的曆史上，最艱巨、最著名的就是京張鐵路。張家口在居庸關外，地處北京西北，是通往內蒙，溝通南北貨運的要道，也是曆史上著名的軍事重鎮，兵家必爭之爭。
1903年，清政府為了加強同蒙古的聯係，出於軍事、經濟和政治上的打算，決定從關內外鐵路的運輸收入中，提出一部分餘利，建築這條京張鐵路。可是，這時候關內外鐵路的餘利，完全被英國人控製。英國為了對抗俄國，早就想修築一條由他們控製使用的通向蒙古的鐵路。英國威脅清政府說“關內外的鐵路是向英國借錢建築的，現在，你們的錢還沒有還清呢。如果要動用這條鐵路的運輸收入，另外修築鐵路，那就一定得請英國人擔任總工程師。否則，就不能修築，我們不撥款給你們。”沙俄也不甘心示弱，同樣對清政府進行威脅，說什麼“俄國政府和中國政府曾訂有條約，明文規定長城以北的鐵路，不許由別國承辦。京張鐵路有一半在長城以外，如果要請外國工程師修建，必須要請俄國人承包。否則，俄國是不會客氣的。”英、俄兩國為掠奪京張鐵路的修築權，進而操縱中國的軍事、政治，雙方爭執長達一年之久。在英、俄雙方相持不下的情況下，他們經過暗地策劃，共同向清政府提出：“中國修築京張鐵路，如用自己的錢和派自己的工程師，兩國可以不再過問。”他們以為以這樣的手段要挾清政府，京張鐵路就無法動工，動了工也必然會中途失敗，到了那時，清政府仍然會向他們求助。當時，中國不少有見識的人士，發出了“鐵路讓外國人修，還不如由中國人自己修”的強烈呼聲。就是在這種情況下，1904年，清政府才決定不用洋人，全部由中國自己出錢、出人修建京張鐵路，並委派詹天佑負責京張鐵路的籌建工作。