建設之初，工程技術人員短缺。詹天佑帶領僅有的兩名山海關鐵路學校畢業生，對整條道路進行了詳細勘察。長城經常充滿狂風和風沙。詹天佑冒著被大風卷入深谷的危險，和工程師們壹起，背著標桿和經緯儀，在懸崖峭壁上定點繪圖。為了找到理想的公路路線，他經常騎著小毛驢走在崎嶇的山路上。白天翻山越嶺，晚上在外國的油燈下彎腰畫畫計算。然後我提出了施工方法，招了國內唯壹的工程技術人員來修這條路。他制定了這條路要盡快建成的政策，這樣當它盡快建成的時候，他就可以騰出手來支持其他省份經營的鐵路。
京張鐵路最難的工程是八達嶺隧道工程。為了保證鐵路提前完工，詹天佑決定采用分段施工的方法。為了保證隧道的施工質量，詹天佑吃住都在現場，親自檢查每壹個洞口的線形、定位甚至直徑、距離。工作人員受到感染，希望他保重身體，多休息。詹天佑嚴肅地說:“全世界的目光都在看著我們，我們壹定要成功！”
在挖居庸關、八達嶺兩條隧道時，詹天佑創造性地采用了兩頭挖，中間開豎井的施工方法，沒有新開山刀、水泵、通風機等困難，成功解決了問題。他在工作中創造性地運用了“折返線”原理，在山體坡度較陡的青龍橋上修建了壹段人字線，使線路在關溝內的坡度降低到3.3%以下，八達嶺隧道長度縮短到設計方案的壹半。
詹天佑還根據山區築路的特點，設計了許多具有民族特色的雄偉石拱橋，不僅節約了鋼材，而且大大降低了工程造價，實現了他的“錢少、質量好、完工快”的三大要求。1909年，京張鐵路第三段竣工，歷時四年，比原計劃提前兩年，節省投資28萬兩白銀以上，被當時的外國工程師視為奇跡。