张家口位于长城居庸关外，地处北京的西北，是通往内蒙古的交通要道。历史上这里一直是北方的军事重镇，自古兵家必争之地。在和平年代，这里又是南北商旅进行商业贸易的货物集散地。从蒙古南下的土产、毛皮、驼绒，和从南方北上的茶叶、纸张、丝麻等生活用品，都在这里进行交易。因此人们都盼望改善这里的交通。
在政治上，清王朝统治者为了密切同蒙古王公的联系，当然也希望改善这里的交通状况。
1900年（清光绪二十六年）以后，清政府迫于中国人民要求自己修筑铁路的强烈愿望，成立了“铁路矿务总局”，并颁布了《矿务铁路公共章程》，承认商人有兴办铁路的权利。
1903年（清光绪二十九年），商人李明和就曾上书清政府路矿总局，呈请批准他招集股银600万两，承担修建北京到张家口的铁路工程，并附有章程12条；后来另一商人李春也上书申请修筑京张铁路但他们的呈请均被驳回。当时的理由是“该商股本不可恃”，暴露了清王朝统治者言而无信，不信任普通百姓的真面目。尽管如此，修筑京张铁路的必要性，却引起清政府官员的重视。同年9月，御史瑞琛采纳了商人张锡玉的建议，奏请商办京张铁路，不料又被驳回。但他们仍将商人们修筑铁路的方案交商部讨论。因此决定官办京张铁路。督办铁路大臣袁世凯、胡燏棻建议，调拨关内外铁路（即今北京—沈阳铁路）的盈利来修建京张铁路。
但是，在修建关内外铁路时，清政府向英国贷款，所以铁路的盈利全部控制在“中英公司”手里。同时明文规定，如果要动用这笔款项，必须经过中英两国共同磋商。英国早想染指京张铁路，因此在磋商过程中，“中英公司”代理人顾璞提出，京张铁路是关内外铁路的延长线，所以修建京张铁路的工程，必须由英国工程师来承办，否则不能拨款。
一波未平，一波又起。沙俄政府提出，在制订《辛丑条约》时曾与清政府达成协议，“长城以北的铁路不能由第三国承建”为由，要挟清政府，如果要请外国人修建京张铁路就只能由沙俄承包。英俄两国争吵不休，后来英国看到染指京张铁路已无可能，这才被迫同意由中国人自己修筑这条铁路。可筑路经费仍然掌握在英国人手中。于是北洋大臣袁世凯派梁如浩继续与顾璞谈判，双方往返交涉了近一年时间，英方才作了让步，但英国人认为，筑路经费既然掌握在自己手中，铁路修成之后，一定于大英帝国有利。
不过，英、俄两国私下都希望中国人自己修不成这条铁路，就算动工了，也得半途而废。那时它们再来“收拾残局”，一定大有利可图。因此英、俄两国都要挟清政府，如果中国政府用中国工程师和经费来修筑京张铁路，那么英、俄两国都可以不必帮忙。
中国人已经没有退路了。清政府被迫宣称：不任用一个洋工程师，此路全部由中国人自己修筑和经理，与它国无关。
京张铁路是中国第一条自己修建的重要铁路，各国的工程界都密切注视着修筑这条铁路的人选和动工时间。1905年5月（清光绪三十一年四月），袁世凯、胡燏棻正式呈请清政府，批准成立京张铁路总局和工程局，派陈昭常为总办，詹天佑为总工程师兼会办。并不是每个中国人对自己的力量和智慧都充满信心的，否则，历朝历代就不会出现那么一批“软体动物”了。
当詹天佑出任京张铁路总工程师兼会办的消息传出后，欣喜鼓舞者有之，怀疑担心者有之，嘲笑蔑视者有之，辱骂暴跳者亦有之。面对这些，沉默寡言的詹天佑没有说什么。经过了10多年铁路修筑工地的风风雨雨，他为祖国修筑更多更好铁路的决心更坚定了。他深知，前面的道路上处处充满了艰险，要通过这些艰难险阻，不能依靠腐败无能的清王朝和它的那些贪官污吏；只能依靠那些以天下兴亡为己任的有识之士、具有爱国思想的工程技术人员和最广大的筑路工人。只有他们，才是中国真正的脊梁。
詹天佑面临的第一个问题是，工程技术人员十分匮乏。在腐朽昏庸的清王朝统治下，工程技术人员因为得不到应有的社会地位和尊重，人数是很少的。但他坚信，只要依靠广大工人和办事员，就能逐步克服困难，圆满完成筑路的任务。他克服重重困难，在北京筹建了工程局，工程局由他自己负责，所有的工程师都由詹天佑量才调用。京张铁路总局设在天津，设分局于北京，又在北京设立了材料厂，在丰台设立购地所。
测线是修筑铁路的第一步、京张线的初测工作，由詹天佑和他的学生张鸿浩、徐士远担任。他们从丰台以东的京奉线（即今北京—沈阳铁路）柳村第六十号桥起，经西直门顺大路直奔西北方向的张家口。这一路丛峦叠嶂，其中以关沟地带最高，这地方称为南口河谷。由南口河谷向西北，经东园、居庸关、四桥、三堡、青龙桥、八达岭达西拨子，路程不过20公里，但沿途崇山峻岭、处处险峻，其中以八达岭为最高峰，这一带处处悬崖峭壁。关沟地区的老龙背、蛇腰湾、鹞儿梁、石壑子等处，坡度极陡，工程浩大。詹天佑等人测完这条线路之后，感到这里通车能力低，运输量受到很大限制，因此在从张家口往回测的时候，又设法寻找其它的线路。
詹天佑回测的线路是经怀来县、延庆、小张家口，沿热河（清初设热河省，省会在今河北省承德市）至北京的大道，经过得胜口过山，通过明十三陵、黄土梁到达北京。这条线路虽然避开了关沟地带，但路途绕远，而且沿途坡度仍然不小，工程并不比第一条线路简单。
为了寻求一条比较合理的线路，詹天佑不避艰险，不顾辛劳，又带人勘察了第三条线路。这条线路是出西直门，迤逦西行40里，绕过石景山，经过三家店，沿着永定河，再从青石口到沙城附近的猪河口出山，最后到达张家口。詹天佑计划中的这条线路，主要是沿着永定河两岸的峭壁开凿修建，工程比关沟路段还要艰难，但通车能力较高，运输量可以增加几倍。
通过比较，大部分人的意见是采用第三条线路，而且还做了工程计划和预算。遗憾的是，受到清政府经费预算和工程峻工期限的制约，不得不放弃这条较为合理的线路，转而选择了通过关沟地段的第一条线路。于是詹天佑又调配人员分别全面进行复勘定线。
詹天佑当年初测的第三条线路，如今已经修成铁路，就是丰（台）—沙（城）铁路。
初测完成之后，詹天佑充分考虑到，由于筑路经费控制在英国人手中，早晚会受到洋人的掣肘。所以在制订筑路计划时，决定采用“以路养路”，“以矿养路，路矿结合”的方式来经营这条铁路。按驿站计，全路长420里；按测量路程计，全路长360里。途中崇山峻岭相隔，岩石最多；桥梁长度约有7000多尺。道路险峻，施工艰难，是其它铁路所没有的。修筑费用大约每里需白银20000两。他经过周密详细的考虑和计算，将工程分成3段。
第一段，丰台至南口，长104里，约1年多可以完工。完工之后，立即通车。这样做，既可以“行车卖票，冀得少获余利”，而且也便于“转运材料”；这一段，他亲自插标，由副总工程师陈西林、学生张鸿浩、徐士远等人详细测量定线，而靠近南口山麓，地势较高的部分，由副工程师俞人风、柴俊畴勘定。
第二段，南口到康庄，长33里，中间要通过关沟地区，由南口至八达岭虽然才20多公里，但高度均在600米左右，需要开凿长约1089米以上的隧道。“拟俟第一段开工后，即派精细工程师分驻关沟地方详细勘测，两相比较，视何路为最宜，即由何山开凿，赶紧动工。”这段工程，由陈西林、张鸿浩勘测。而八达岭隧道的定线，则派副工程师颜德庆，工程员张鸿浩、苏以昭等负责。
第三段，由康庄经怀来宣化到张家口，长223里，詹天佑估计，由于第二段工程一时难于完工，所以第三段工程所需的原材料，只能先用骡车由大道转运，陆续兴工，这样，两端同时进行，等到第二段工程完成，第三段工程也就同时可以完工。时间大约是3年多，加上铺垫碎石以及零碎工程，需时1年，如果经费能及时提供，那么整个工程大约4年多就可以完成，实现全线通车。这段工程，他派副工程师翟兆麟、学生李鸿年、耿瑞芝，练习生吴廷叶、傅菊樵等人负责。
詹天佑对京张铁路沿线经济情况的调查研究，以及京张铁路本身的经济价值的研究，也是非常深入的。而且他提出的路矿结合，以路养路的主张，在他给清政府撰写的线路勘测报告中，阐述得非常祥尽。
詹天佑在报告中说，居庸关设有道捐局，专收过往车辆牲口税。据统计，每天通过关口的货物约有2万担。往来于北京和张家口之间的货物，现在每担运费约1两2钱，每人的车价银约3两5钱。将来用火车运输，每担货物的运费就以2钱5分计算，全年360天，就可以收入运费白银180万两。客座以每里5文制钱收费，按每天有500个客座计算，一年360天约可收入客票银259200两。统计这两项的进项，每年大约是二百零五万九千二百两。这显然是一笔极大的进项。养路费是铁路上的一项支出，以每里每日白银10两计，一年360日，共需白银126000两。报告中分析，京张铁路沿线并无河道可以通航，加上车马骡运脚价一天天上涨，在这种情况下，提高火车运价也未尝不可，但铁路交通创办伊始，较高的运价可能会使人们望而却步。因此运价越低，将越使乘坐火车的商旅踊跃，那么进款当然越多。他还举出欧美各国的例子来加以说明。
詹天佑在报告中说，宣化府鸡鸣山煤矿煤苗甚旺，而且煤质亦佳，也许能适合机器厂和火车锅炉使用。应该派矿物工程师前往勘察，如果能行，就立即加以开采，那么京张铁路全线用煤就地解决，既省运费，还可以运销各处。这样，铁路的进项也可以进一步提高。此外，怀来县新保安山素来出产硬煤，是当地居民日常使用的燃料。在派出工程师勘察鸡鸣山煤矿时，一并加以勘察，如果煤苗很旺，也可以进一步开采，通过铁路运销各地，那么京张铁路的进款必定会大大提高。
然后，詹天佑进一步指出，开发上述两处煤矿，有“三利”：京张铁路可以不用开平煤矿的烟煤，既省运费，又可就近装用，利一；煤矿产煤越多，必然通过铁路外销，又能增加铁路运费收入，利二；煤炭通过铁路外销，由于运费低廉，成本下降，煤价必然下跌，老百姓当然更乐于使用，而且还可以凭借煤矿来谋生，利三。
在勘测线路的报告中，詹天佑科学地分析了修筑京张铁路的价值，尤其是它的经济价值，对于铁路将来的发展前景做了充分的估计。在工程预算上，既精打细算，又特别强调提高工程质量。
1905年（清光绪三十一年）六月初八日，詹天佑将修造京张铁路的办法，并附详细的图表说明送请袁世凯、胡燏棻审查批准。报告中说：
查京张一路由丰台发轫至张家口，延袤虽仅三百六十余里，而中隔居庸关八达岭，层峦叠嶂，石峭湾多，偏考各省已修之路，以此为最难。即泰西铁路诸书，亦视此等工程至为艰巨。……又中国筹款自办为各省倡，惟贵重益觉才轻，而图终必先虑始，固不敢铺张从事，致巨款虚糜；亦不敢苟且速成，贻外人口实，谨就管见所及，拟约分三大段兴修。……
其第一段，由丰台经彰仪门，拟仍就关内外铁路局原勘开之路，修至南口，长一百零四里，……施工尚易。其第二段，由南口经关沟修至岔道城，长三十三里，斜度最高，所谓最难之工，即指此段而言。现测由南口至八达岭，高低相距一百八十丈，形势崔嵬，难安轨道，按照欧美铁路办法，必须开山凿洞，长六千余尺，若两面以人力开凿，日夜兼程，各通三尺，约计三年之久始能开通。……总之此段之路，无论轨道绕越何处，斜度均属至高，计由南口修垫，每四十尺即须垫高一尺，形势过斜，俟路成开车，所有南口岔道两处，须多备机车一辆，以便上下斜坡用两机车推挽，帮助压力以昭慎重。其第三段，由岔道城经怀来宣化达张家口，长二百二十三里，……中间之上花园，距鸡鸣驿二十里，地名蛇腰湾、老龙背等处，后径狭窄，下临羊河，发源浑水，平时浅涸。一至夏令，山水涨发，河流奔涌，现拟依山沿河取山石垫高河身，长约六七里，修为轨道，冀免开山凿洞，以省繁难，由此至半坡街，石岗欹斜十余里，高低不一，弯曲又多，石质又极坚硬，必须逢曲取直，就低培高。……再此次勘路所过大小集镇，均不寂寞，沿途民户亦繁，口外货车更源源不绝，此路早成一日，公家即早获一日之利益，商旅亦早享一日之便安，外人亦可早杜一日之觊觎。而路工之难，亦为向来所未有，以上所查情形与所陈办法，业经会同（陈）昭常悉心妥议，意见相同。
詹天佑的报告中，不但有勘察得到的各种地形地貌及水文资料，甚至还有主地民情、商情，同时还不忘深及修筑京张铁路的经济、政治意义。在工程方面，詹天佑还针对不同情况，提出了相应的具体措施。
同年7月，全路勘测工作全部完成，詹天佑就全路工程材料、地亩、土石方等项，所需款额，分成7项开具了清单，请袁世凯、胡燏棻呈报朝廷：
（一）测量经费等项约需银15500两；
（二）地亩、土方、开山凿洞、石工等项约需银234326O两；
（三）修造桥梁、水沟等项约需银116100两；
（四）钢轨等项，约需银190650两；
（五）房厂等项约需银204050两；
（六）电线等项约需银61800两；
（七）转运材料等项约需银98000两；
总计约需银5729360两。此外购置各项车辆，约估银1130500两，四年内员司薪工杂费等项，约估银432000两，总共9项约估银7291864两。
在詹天佑慎密测量和精心计划下的关沟线路，比英国工程师金达测算的关沟线路，仅隧道工程就短了2000米！同时，在青龙桥的东沟，修筑了“人”字形的线路，和使用两台机车“推挽”列车，也都是京张铁路工程中，詹天佑创造性的设计。这些创造性的设计，既克服了工程中的难题，同时也大大降低了施工的费用。
詹天佑在紧张的工作中，始终不忘身负的重任，他经常勉励工作人员：“全世界的眼睛都在望着我们，必须成功！”“不论成功或失败，决不是我们自己的成功或失败。而是我们的国家！”
在所有詹天佑参加的勘测项目中，他总是身背标杆，登悬崖，攀绝壁，不畏艰险，吃苦耐劳，以身作则，教育年轻人：“技术第一要求精密，不能有一点含糊和轻率。‘大概’‘差不多’这一类的说法，不应该出之于工程人员之口。”有些技术人员测量过的地点，他又带着仪器再去复勘一次，有个青年技术人员不高兴了，在背后说：“你既然不放心，自己还要测量，又何必叫我们测量呢？”詹天佑听了，既严肃又和蔼地对他说：“并不是我不信任你们，科学的工作多一个人检查，总是好的。诸位的责任是太重大了！”这个青年人被詹天佑这种负责的精神所感动，就自动一次次复勘来校正错误。
