京张铁路为詹天佑主持修建并负责的铁路，它连接北京丰台区，经八达岭、居庸关、沙城、宣化等地至河北张家口，全长约200公里，1905年9月开工修建，于1909年建成。是中国首条不使用外国资金及人员，由中国人自行设计，投入营运的铁路。这条铁路工程艰巨。现称为京包铁路，以前的京张段为北京至包头铁路线的首段。

京张铁路起始自北京丰台柳村，经居庸关、八达岭、河北的沙城、宣化至张家口。全长约200多千米。1905年9月开工修建，于1909年建成通车。是中国首条不使用外国资金及人员，由中国人自行建设完成，投入营运的干线铁路。由当时的清政府委派詹天佑为京张铁路局总工程师（后兼任京张铁路局总办）。京张铁路在1905年9月4日开工，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（七百二十九万两白银）节省了三十五万两白银（也有一说是节约了二十八万两白银）。

北京北站由詹天佑先生设计的旧站房，这是中国人的一次飞跃。在京张铁路的基础上，通过两次展筑而成京包铁路。中华民国建立后，当时的北洋政府于1921年5月1日又修建了张家口至绥远路段，更名为平绥铁路。1923年延伸到包头，改称为京包铁路。京张铁路成为北京及包头的京包铁路的首段。中华人民共和国成立后，广安门车站向北，自北京宣武区手帕口至西直门火车站的一段铁路拆除，西直门站（北京北站）成为京包铁路始发终到客站。现在京包铁路沿线公里标还是以最初起始点北京丰台柳村0公里标开始计算，并未随着改动，实际正线缩短12公里。京张铁路人字形很独特。

由于原京张铁路关沟段一带通过能力较差，1952年起另外建成了来往丰台及沙城(怀来)的丰沙铁路。丰沙线的走向即当年詹天佑认为较好但因造价较高而被迫放弃的路线。1919年詹天佑病逝后，1922年青龙桥火车站竖立詹天佑铜像，1987年，青龙桥站附近再建成詹天佑纪念馆。2009年是京张铁路一百周年纪念，有关方面申报京张铁路沿线保留的遗迹为文物保护单位。

京张铁路“中隔高山峻岭，石工最多，又有7000余尺桥梁，路险工艰为他处所末有”特别是“居庸关、八达岭，层峦叠嶂，石峭弯多，遍考各省已修之路，以此为最难，即泰西诸书，亦视此等工程至为艰巨”。“由南口至八达岭，高低相距一百八十丈，每四十尺即须垫高一尺。”中国自办京张铁路的消息传出之后，外国人讽刺说建造这条铁路的中国工程师恐怕还未出世。詹天佑亲率工程队勘测定线，由于清政府拨款有限，时间紧迫，詹天佑从勘测过的三条路线中选定由西直门经沙河、南口、居庸关、八达岭、怀来、鸡鸣驿、宣化至张家口。当年修建京张铁路最困难的一段是南口至八达岭一带的关沟段，不单地势险峻，而且坡度很大。

 1905年5月，京张铁路总局和工程局成立，以陈昭常为总办，詹天佑为会办兼总工程师，1906年詹天佑又升为总办兼总工程师。詹天佑把京张铁路全线分为三段：丰台到南口为第一段；南口到康庄为第二段；康庄到张家口为第三段。京张铁路在1905年9月4日开工，12月12日开始铺轨。1906年9月30日第一段工程全部通车。1908年9月完成了第二段工程。1909年4月2日火车通到下花园。经过四年建设后，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了三十五万两白银（也有一说是节约了二十八万两）。总费只有外国承包商过去索取价银的五分之一，可谓花钱少，质量好，完工快。在事实面前，外国人也不能不折服。京张铁路是中国人自行设计和施工的第一条铁路干线，是中国人民和中国工程技术界的光荣。

在建设过程中，遇到了许多困难，其中最令人“头大”的问题是修筑从南口到八达岭岔道城的关沟段铁路。这段路地势陡，坡度大，最大坡度达 33‰。（即每前进1000米，坡度就上升33米。）这样的坡度，火车是不能直接爬上去的。因为，当时火车最高爬坡率只有25‰，于是詹天佑借鉴美国高山地区铁路设计，设计出用“长度”换“高度”的 “人字形”铁路。当列车行驶到这一路段时，用两个机车前牵后推，由石佛寺引上山，沿人字形线路一边，经过黄土岭线路的入口到达青龙桥车站，然后列车掉头退回，后推机车改为前牵，前牵机车改为后推，沿人字形的另一边，向西北方向直接进入八达岭隧道。这样的设计可以将线路的坡度降低至28‰，隧道也由原测的1800米缩短为1091米。

其次，开凿1,092米长的八达岭隧道，曾经有诸多外国专家断言：如不使用外国的先进机械以及技术人员，仅凭中国人的力量不可能完成。在詹天佑的策划指挥下，采用竖井开凿法，为增加工作面，在隧道中部开凿了一座深约25.587m的竖井，井上建有通风楼，供行车时排烟和通风用。隧道衬砌的拱圈采用预制混凝土砖砌筑，边墙用混凝土就地灌注，隧道底部用厚99.87mm的石灰三合土铺筑而制成。隧道全长1091.2米。

另外京张铁路的比较重大的工程还有200米长的钢架结构的怀来大桥，这是京张铁路上最长的一座桥；下花园到鸡鸣驿矿区岔道一段虽不长，工程极难。右临羊河，左傍石山，山上要开一条六丈深的通道，山下要垫高七华里长的河床。詹天佑即以山上开道之石来垫山下河床。为防山洪冲击路基，又用水泥砖加以保护。詹天佑制定统一的铁路工程标准及行车规章制度，为中国铁路建设及管理的标准化奠定了基础。