京張鐵路連線北京豐臺，經居庸關、沙城、宣化至河北張家口，全長約201.2千米，於1909年建成，是中國首條不使用外國資金及人員，由華人自行完成，投入營運的鐵路（京張鐵路建成之前中國最先有新城至高碑店之新易鐵路，亦由詹天佑建成，但只供慈禧太后祭祖使用）。詹天佑是建設鐵路的總工程師，後兼任京張鐵路局總辦。

此路“中隔高山峻嶺，石工最多，又有7000餘尺橋樑，路險工艱為他處所末有，”特別是“居庸關、八達嶺，層巒疊嶂，石峭彎多，遍考各省已修之路，以此為最難，即泰西諸書，亦視此等工程至為艱鉅”。“由南口至八達嶺，高低相距一百八十丈，每四十尺即須墊高一尺。”中國自辦京張鐵路的訊息傳出之後，外華人諷刺說建造這條鐵路的中國工程師恐怕還未出世。詹天佑勇敢地擔當起總工程師的艱鉅任務，勉勵工程人員為國爭光，他親率工程隊勘測定線，從勘測過的三條路線中選定了建造成本較為低的一條。由西直門經沙河、南口、居庸關、八達嶺、懷來、雞鳴驛、宣化至張家口。這路線最困難的一段是南口至八達嶺一帶的關溝段，不單地勢險峻，坡度亦很大。八達嶺近青龍橋段，為了穿越燕山山脈軍都山的陡山大溝，在22千米線路區段內採用了“人”字軌道，列車在用折返方法攀斜；但坡度仍達33.7‰，要由兩部機車牽引。鐵路上有四條隧道，其中八達嶺隧道長1,092米，採用豎井方法挖掘；居庸關隧道長400米。另外有200米長的鋼架結構的懷來大橋。

京張鐵路在1905年9月4日開工，詹天佑跟鐵路員工一起，克服資金不足、機器短缺、技術力量薄弱等困難，出色地完成居庸關和八達嶺兩處艱難的隧道工程，四年後的1909年8月11日建成，10月2日通車，施工時間比原定縮短了兩年；而建造成本亦比原來預算節省了三十五萬兩白銀（也有一說是節約了二十八萬兩）。總費只有外國承包商過去索取價銀的五分之一，可謂花線少，質量好，完工快。在鐵的事實面前，外華人也不能不折服。京張鐵路是華人自行設計和施工的第一條鐵路，是華人民和中國工程技術界的光榮，也是中國近代史上華人民反帝鬥爭的一個勝利。1922年青龍橋火車站豎立詹天佑銅像，1987年，附近再建成詹天佑紀念館。當時在此進入北京的客車均要停車半小時，參拜詹天佑銅像和紀念館。

今天的京張鐵路是來往北京及包頭的京包鐵路的首段。由於原京張鐵路關溝段一帶透過能力較差，1952年起另外建成了來往豐臺及沙城(懷來)的豐沙線。豐沙線走的即當年詹天佑認為較好，但因造價較高而被迫放棄的路線。豐沙線一直擔任煤運的重任。1972年，豐沙線改建成複線，1984年電氣化。現在很多客運列車亦已改行豐沙線。

1905年，修建北京到張家口鐵路的訊息傳開了。英國和俄國都爭著要修，因為他們知道這條鐵路在中國的.戰略要地，掌握了它就能控制中國，雙方爭執不下，最後達成“協議”，說中國如果不讓他們修，他們就什麼也不提供。他們以為華人離開他們肯定修不成這條鐵路。

清朝政府這才讓詹天佑擔任總工程師。有人對他不放心，說他自不量力，說他膽大包天，勸他不要承擔這項難度非常大的工程。詹天佑說：“京張鐵路如果失敗，不但是我的不幸，也會給中國帶來很大損失。外華人說中國工程師不行，我則堅持由自己來辦！”為了給華人爭口氣，他把全部精力都投入進去，和工人們一起吃住在工地，細心勘探，大膽試驗，經過4年艱苦的勞動，終於成功地修築了京張鐵路。這是華人自己設計施工的第一條鐵路，極大地鼓舞了全華人民的志氣。詹天佑為祖國贏得了榮譽，原來那些瞧不起中國工程師的英華人也表示對他由衷敬佩。