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之后清政府准备兴建连接北京至张家口的京张铁路 。由于这条铁路具有重要的战略价值，英国及俄国都希望得到建造权而相持不下 。然而，在英国、俄国的铁路高级计划测量师和工程师在经过多次的探勘后认为难度极大 。因为燕山山脉群中有不少的陡峰，其中被选为“第二隧道”的燕山二号峰其大部分的构成材质多为花岗岩以及玄武岩，很难使用一般的“炸隧开道”的方法，这使得列强让京张铁路追加预算资金 。结果在袁世凯在1905年决定不用外国资金，亦不使用外国人，全部由中国自行修建京张铁路 。詹天佑被任为总工程师，之后更兼任铁路总办 。
京张铁路全长约220公里，由于要经过长城内外的燕山山脉，需要兴建不少隧道及桥梁，工程相当复杂 。当时有部分外国人质疑中国人自行建造这条铁路的能力;詹天佑亦明白工程艰钜，并关系到中国工程师的声誉，但仍然坚持努力尝试 。
詹天佑从三条他亲自勘定的路线中，选择成本及线路走向、客流量均较为适中的一条 。另一条他认为线路走向、客流量较好，但因造价较高而被迫放弃的路线，后来在1955年建成为丰沙铁路 。最终京张铁路在四年后的1909年8月11日建成，10月2日通车，施工时间比原定缩短了两年;而建造成本亦比原来预算节省三十五万两白银 。铁路上有四条隧道，其中八达岭隧道长1,092米，采用竖井方法挖掘;另外有二百米长，钢架结构的怀来大桥;此外还在八达岭段(尽是悬崖峭壁)则使用了“z"字轨，道攀斜，解决了地势险要、坡度过大而资金有限的问题 。京张铁路的成功建造，不单是中国近代工程史上的重要成就，对正掀起民间自办铁路风气的中国亦起了很大的激励作用 。

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京张铁路建成后，詹天佑获宣统赐工科进士，任留学生主试官等职 。1910年，任广东商办粤汉铁路总公司总理兼工程师，1912年兼任汉粤川铁路会办，负责兴建粤汉及川汉铁路 。此后一直定居在汉口俄租界的鄂哈街9号(今洞庭街51号) 。同年成立“中华工程师学会”，并被推举为首任会长 。民国成立后，于1913年获政府委任为交通部技监，1914年获颁授二等宝光嘉禾章 。1916年，获香港大学颁授荣誉法学博士学位 。1919年初，受命往海参崴和哈尔滨任协约国监督远东铁路会议中国代表 。
1919年4月，詹天佑因病回汉口，4月24日去世，终年五十九岁 。1922年青龙桥火车站竖立詹天佑铜像 。詹天佑与其妻谭菊珍原葬在北京海淀区万泉庄，中华人民共和国铁道部、北京铁路局和中国铁道学会于1982年5月20日将詹天佑及其夫人迁葬于京张铁路青龙桥火车站站房右侧 。1987年，附近又建成了詹天佑纪念馆 。

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