同年，中日甲午戰爭爆發，關外鐵路的修建工作被迫停工，詹天佑被調任，他擔任天津至北京盧溝橋的鐵路工程師。直到甲午戰爭戰敗，詹天佑才被調回錦州，指揮修建營口鐵路。1900年，營口鐵路通車。同年，由於帝國主義的侵略，中國爆發了“反帝愛國”運動——義和團運動。由於義和團的發展速度快，加上義和團提出的“扶清滅洋”口號，這完全符合清政府的利益，義和團被清政府招撫用來對付帝國主義。為了鎮壓義和團，帝國主義組成八國聯軍入侵中國，腐敗無能的清政府再一次慘敗，關外鐵路被英、俄侵略軍占領，再一次被停工。
1901年，清政府同美、德、俄、法、意、日、奧、英、西班牙、比利時、荷蘭十一個國家，簽訂了喪權辱國的《辛醜條約》，使中國完全陷入了半殖民地、半封建社會。條約簽訂之後，詹天佑從英俄帝國主義手中收回關外鐵路，並迅速的恢複通車，他的出色工作，備受清政府關注。
1902年，袁世凱上書請求修建新易鐵路（高碑店至易縣），以便供皇室成員回鄉祭祖用。當時的清朝政府大權都被封建頑固派掌握，那些思想守舊的封建統治者對“祖宗之事”十分的重視，而袁世凱這樣提議，自然是為了討好當時掌握清政府大權的葉赫那拉氏——慈禧太後。
慈禧對袁世凱的提議十分滿意，為了不耽誤回鄉祭祖的“大事”，限定袁世凱在半年之內將鐵路修建完成，袁世凱便將鐵路修建的任務交到了詹天佑手上。詹天佑被袁世凱任命為這條鐵路的總工程師，盡管這條路的價值不大，但卻是中國人第一次自己修建鐵路，出於慎重考慮，詹天佑對新易鐵路的修建變得重視起來，絲毫不敢馬虎。經過實地考察後，詹天佑想出了一套獨特的方案，他果斷地摒棄了當時外國人的思想，僅僅用了四個月的時間便完成了工程。鐵路修建的所有的費用比動工前的預算大大地縮減了很多。
新易鐵路的修建成功，大大地鼓舞了中國人自行修建鐵路的信心，同時也開了國人自辦鐵路的先河，是中國近代鐵路修建曆史上的轉折點。在此之後，詹天佑又修建了京津鐵路、萍醴鐵路。詹天佑在這一係列的工程之中，逐漸嶄露頭角，同時這些鐵路也為中國以後自辦鐵路打下了堅實的基礎。
這不僅僅是一條鐵路
《辛醜條約》簽訂後，清政府完全淪入帝國主義列強的統治中，掌權人變為列強的傀儡，政府形同虛設，變成“洋人的朝廷”。帝國主義列強也掀起了瓜分中國的狂潮，並且在中國劃分勢力範圍，擴張在中國的勢力。修建鐵路成了最有利、最方便的方式。
1905年，清政府決定修建由北京通往張家口的一段鐵路。從蒙古通往北京，就會路過張家口，所以張家口處於通商樞紐，曆來是兵家、商家必爭之地。京張鐵路具有巨大的戰略意義，它不僅僅是一條鐵路。當清政府傳出要修建京張鐵路的消息後，勢力最大的大英帝國和沙皇俄國，他們對修建鐵路的權利都起了爭奪之心，但雙方各自爭執不下。在此情況下，詹天佑提出由中國人自己修建這條鐵路。
英國人和俄國人經過幾番扯皮後，最終也達成協議：如果清廷在不借外債、不用洋匠的前提下修建鐵路，那麼京張鐵路完全可以由清政府自行組織修建，雙方絕不插手。
這份協議斷絕了清政府向洋人求助的後路，清政府也隻能任命詹天佑為總工程師。
京張鐵路全長約200公裏，從北京到張家口的這段距離，當中需要穿過山脈，還要開鑿四條隧道。地形險峻，工程艱巨，舉世罕見。
外國工程師得知京張鐵路由中國人全權負責修建的時候，很多國外工程師對此冷嘲熱諷，他們認為詹天佑是“不自量力”，甚至露骨地宣稱：“中國人能建造這樣的鐵路，起碼還得要等五十年！”就連中國人也說詹天佑此舉是“膽大妄為”。一些不能理解京張鐵路重要意義的人們，他們甚至說：“不過花幾個錢罷了。”
麵對各方壓力，詹天佑表示：“中國地大物博，而於一路之工，必須借重外人，引以為恥！”他決心率領全體職工完成京張鐵路，來為國人爭光。詹天佑給他的美國恩師諾索樸夫人寫了一封信，詹天佑宣稱：“如果京張工程失敗的話，不但是我的不幸，也是中國工程師的不幸，同時帶給中國很大損失。在我接受這一任務後，許多外國人露骨地宣稱，中國工程師不能擔當修建京張鐵路的重任，但是我堅持我的工程。”這一段話，將詹天佑決心為國爭光和爭取民族自信的決心，堅決地表現了出來。
1905年5月，京張鐵路工程總局成立，詹天佑為總工程師。為了工程能夠順利完成，詹天佑親自勘測了三條施工路線，由於第二條路線繞道很遠，所以被詹天佑否決。第三條線由於朝廷在承擔大量外債、財政危機的情形下，對鐵路撥款有限，並且時間緊張，也被詹天佑否決，他決定采用第一條施工路線。這條路線，從北京的豐台開始，途經北京的西直門、沙河、經南口、居庸關、八達嶺長城、懷來，然後到張家口，全程長度達到了350華裏。這條路線的地形對施工者來說極為艱難，一路重巒疊嶂，絕岩峭壁叢生，坡度極陡，南口和八達嶺之間的高度相差達180丈。
麵對諸多困難，詹天佑經過實地考察和仔細分析後，他把工程劃分為三段：第一段工程，從豐台起，到南口止，第二段工程，南口到康莊，其餘為第三期工程。
經過大量的準備後，同年9月4日，京張鐵路修建正式開工。同年12月12日，開始鋪設軌道。但是，在鋪軌的第一天，京張鐵路的修建工人們便遇上了大挫折，一輛工程車的車鉤鏈子在施工過程中脫軌。很多覬覦此路的外國工程師開始借題發揮，他們認為是中國不能自辦鐵路的證據。詹天佑認真總結了失敗的教訓，他使用每節車廂自動掛鉤的方法，終於解決了這個問題。
1906年9月30日，鐵路的第一期修建完成，並正式通車。同時也迎來了鐵路修建上難度最大的第二期工程。要想順利地完成第二段鐵路，首先要挖通居庸關、八達嶺之間的四座隧道，尤其是八達嶺隧道。八達嶺隧道測量長達為1092餘公尺，要想成功地修建八達嶺隧道，除了對計算精度準確地要求外，還要有當時世界上最先進的開山機、通風機等。精確的計算精度對詹天佑而言並非難事，但是那些精密的儀器，落後的晚清中國並沒有，所以隻能靠雙手去挖。這些並沒有難倒詹天佑，在兩年後，第二段工程也順利竣工。
第三段工程的難度雖然比不上第二段，但是在懷來大橋上修建鐵路，這也讓人十分頭疼。該橋也是京張鐵路全程中，長度最長、難度最大的一座大橋，橋由7根百餘英尺的鋼梁架設而成。在詹天佑的指揮下，該橋上的鐵路也順利完成。還有一段比較困難的路段，雖然路程不是很長，但是施工艱難，這段路右側瀕臨羊河，左側依傍石山，山上還要開挖六丈深的通道，山下要往上墊高七華裏長的河床。於是，詹天佑用山上開采下來的石塊來墊高山體。為了防止洪水衝刷，詹天佑用水泥磚保護路道，第三段工程也得以勝利完工。