1890年，清政府又修關內外鐵路（今京沈鐵路），以金達為總工程師。1892年工程進行到灤河大橋，英人以建不成橋而失敗，日本、德國的承包者也都遭失敗。由於交工期限將至，金達不得不求助於詹天佑。詹天佑詳盡分析了各國失敗原因，又對灤河底的地質土壤進行了周密的測量研究之後，決定改變樁址，采用中國傳統的方法，以中國的潛水員潛入河底，配以機器操作，勝利完成了打樁任務，建成灤河大橋。這一勝利大長了中國人民的誌氣。
1894年，詹天佑被英國工程研究會選為該會會員。
1902年，袁世凱為討好那拉氏，奏請修建一條專供皇室祭祖之用的新易鐵路（高碑店至易縣），命詹天佑為總工程師。盡管此路價值不大，卻是中國人自修鐵路之始，因此詹天佑仍是非常重視。詹天佑徹底拋棄了當時外國人必須在路基修成之後風幹一年才可鋪軌的常規，僅用4個月的時間以極省的費用建成新易鐵路，大大鼓舞了中國人自建鐵路的信心，為後來京張鐵路的修築打下良好基礎。
1905年，清政府決定興建我國第一條鐵路——京張鐵路（北京—張家口）。詹天佑擔任總辦兼總工程師，全權負責京張鐵路的修築。這條鐵路連許多國外的著名工程師都不敢輕易嚐試，詹天佑頂著壓力，堅持不任用一個外國工程師。
詹天佑經過實際勘測，確定了鐵路路線的途徑，即從豐台北上西直門、沙河、經南口、居庸關、八達嶺、懷來、雞鳴驛、宣化到張家口，全長360華裏。全線的難關在關溝，這一帶疊巒重嶂，懸殊峭壁，工程之難在當時為全國所沒有、世界所罕見；坡度極大，南口和八達嶺的高度相差180丈。詹天佑把全線分為三段：豐台到南口為第一段，南口到康莊為第二段，餘為第三段。
1905年9月4日，京張鐵路正式開工，12月12日開始鋪軌。就在鋪軌的第一天，一列工程車的一個車鉤鏈子折斷，造成脫軌事故。這一下成了中國人不能自修鐵路的證據，各種誹謗中傷紛至遝來。但詹天佑沒有驚惶失措，反倒冷靜地想到：此路坡度極大，每節車廂之間的連接性能稍有不固，事故就難避免。為此，他使用了自動掛鉤法，終於解決了這個問題。
1906年9月30日，第一段工程全部通車，第二段工程同時開始。難關就在第二段，首先必須打通居庸關、五桂頭、石佛寺、八達嶺四條隧道，最長的八達嶺隧道1092公尺。這不僅要有精確的計算和正確的指揮，還要有新式的開山機、通風機和抽水機。前者對詹天佑都不成問題，而後者當時中國全都沒有，隻能靠工人的雙手，其困難程度可以想見。詹天佑硬是克服了重重困難，終於在1908年9月完成了第二段工程。
第三段工程的難度僅次於關溝，首先遇到的是懷來大橋，這是京張路上最長的一座橋，它由7根100英尺長的鋼梁架設而成。由於詹天佑正確地指揮，及時建成。1909年4月2日，火車通到下花園。下花園到雞鳴驛礦區岔道一段雖不長，但工程極難，右臨羊河，左傍石山，山上要開一條6丈深的通道，山下要墊高7華裏長的河床。詹天佑即以山上開道之石來墊山下河床。為防山洪衝擊路基，又用水泥磚加以保護，勝利完成了第三段工段。
京張鐵路原計劃6年完成，詹天佑提前兩年於1909年8月11日全線通車，還節餘28萬兩銀子。京張鐵路的勝利完成，是中國人民的勝利，也是中國愛國知識分子愛國精神的充分體現。
京張鐵路完成之後，詹天佑應廣東商辦粵漢鐵路總公司的聘請，於1910年任該公司總理，又於1912年5月兼任漢粵川鐵路會辦。辛亥革命後，詹天佑為了振興鐵路事業，和同行發起成立中華工程學會，並被推為會長。1919年，第一次歐戰結束，詹天佑不顧身患腹疾，代表中國政府出席遠東鐵路國際會議，冒著嚴寒趕赴會議，與企圖霸占我國北滿中東鐵路的日方代表論戰，取得了我國保護中東鐵路的權利。1919年4月24日，詹天佑終因勞瘁成疾逝世於湖北漢口，享年59歲。