詹天佑进入中国铁路公司之后，就被派去负责塘沽天津路段的铺轨工程。他没有被英国工程师金达利用，卷入金达与鲍尔之间的争斗，而是深入工地与筑路的工人一起工作。在80天内，就出色完成了塘沽到天津的全部铺轨工程。1888年（清光绪十四年）九月初五日，唐山—天津铁路全线通车。李鸿章亲自主持了通车仪式。
塘沽—天津间的铺轨工程的高质量，得到李鸿章的赞扬。可是他把功劳归于英国工程师金达，并晋升金达为总工程师。詹天佑的功绩被一笔抹杀了。邝孙谋对此很为詹天佑不平，但詹天佑说，广东有位陈宜禧工程师，在地方上做了很多事业，但从来也没有人知道他。自己刚到铁路上来，应当多做点事，又何必与他人争功？
1890年（清光绪十六年），沙俄帝国加紧对我国东北地区的侵略，清王朝的皇亲贵族感到祖宗灵地受到了严重的威胁。为了祖宗灵地的安全，清政府同意李鸿章提出的修建关内外铁路的计划。所谓关内外铁路的干线，是将原来的唐胥铁路，向北延展，经山海关，出锦州、新民而至奉天（今沈阳），再由奉天延伸到吉林；另辟支线由奉天达牛庄、营口。
这时期，詹天佑常驻石门，督修从古冶到滦州这段工程。他对于老奸巨滑的金达已有了进一步的认识，但为了祖国的铁路建设事业，他始终隐忍在心，只是忍辱负重埋头苦干。由于詹天佑认真工作，他的职位逐步升到分段工程师和总段工程师。
1892年（清光绪十八年），工程进展到滦河。在洋人看来，架设滦河大桥工程，是一笔很有油水可捞的买卖。总工程师金达把工程包给英国人柯克斯。滦河河床淤泥很厚，加上河水上涨，水深流急。柯克斯钻探工作马虎，因此打桩遇到很大的困难。当时号称具有世界第一流施工技术的英国人在滦河面前败下阵来。柯克斯转而向日本人寻求帮助，日本人也一筹莫展。无奈只好将工程包给德国人。德国工程师凭着主观想法，采用“空气打桩法”结果又失败了。眼看交工期限临近，金达急得没辙，就授意柯克斯找詹天佑来试一试。
詹天佑仔细分析了外国工程师采用过的几种打桩办法，又深入工地研究了滦河河床的地质土壤情况。经过慎密的测量和调查，他改变了桥址，并在桥墩施工时，采用“压气沉箱法”。施工时，他身穿工人服装和工人一起在工地上紧张工作，终于成功地奠定了桥基，胜利完成了滦河大桥的架设。
滦河大桥工程的胜利完工，第一次展示了詹天佑渊博的学识，和作为一个杰出的工程技术人员的智慧和才干，敢于大胆创新的精神，以及实事求是的科学态度。在这一年，英国土木工程学会，甄选了第一个中国工程师会员詹天佑入会。
滦河大桥的顺利架通，为关内外铁路的建设创造了条件。1894年（清光绪二十年），铁路通过山海关，并向关外挺进，到达中后所。但这时，中日甲午战争爆发，“坚甲利船”的北洋水师被日本舰队打得一败涂地，关外铁路的修建完全停顿，而且存放在旅顺的6000吨钢轨也被日本帝国主义侵略军抢掠一空。关外铁路被迫停工。詹天佑乘坐压道车，巡视着未完工的工程，心中充满着酸楚和悲痛。他多么希望能用自己一生所学的知识，使中国强大起来，再不受外国人的欺侮！他逐渐认识到，个人的力量太渺小，应该造就一大批具有爱国思想的工程技术人员，脚踏实地，埋头苦干，自强不息，才能彻底改变祖国落后的面貌。
中日甲午海战的惨败，清政府割地赔款，朝野上下，“自强”的呼声日渐高涨，修建津通铁路的要求重又提了出来。
洋务派修建天津—通州铁路的提议，遭到顽固派最坚决的抵抗。
早在天津—塘沽铁路建成时，津沽铁路的股东、奕譞、李鸿章就曾奏请修筑天津—通州铁路。但这项建议遭到顽固派的强烈反对。他们说，“自强”只能靠“修道德、明政刑、正人心、厚风俗”，而不能靠修筑铁路。“通州铁路断不宜修”，“一设铁路就是替敌人施缩地之方”，即所谓“资敌”；再就是修筑铁路“坏人田庐坟墓”，谓之“扰民”；再说，修建了铁路，会使那些靠赶大车拉脚谋生的人和经营航运的船工，失去原先从事的职业，很难进行安置。谓之“失业”问题等等。奕譞、李鸿章上奏本一一驳斥了顽固派的这些谬论。
慈禧太后没了主意，就召集各省的总督、巡抚这些“封疆大吏”来商议。最后两广总督张之洞提出一条与众不同的建议：将铁路的终点，由通州改为芦沟桥。这一来，铁路不直接进京，不会替敌人“缩地”；二来，天津、通州经营大车运输和水运、肩挑贩运的60000多人不至于因此失业。
慈禧太后采纳了张之洞的建议。1895年（清光绪二十一年），光绪皇帝批准天津—芦沟桥铁路开工修建，任命胡燏棻为督办津芦铁路大臣，詹天佑调任津芦段工程师。
津芦铁路自天津起，沿着运河西岸，迤逦向北行，越过南苑到达芦沟桥，全程计216里，估算约需工料银240余万两。预计1896年（清光绪二十二年）全线修成通车。同时，中国铁路公司撤消，另组建津榆铁路总局管辖全线。第二年，津榆铁路总局又改称为关内外铁路总局。
津芦铁路修筑质量很高，但还不许进京。事有凑巧，1896年底，恭亲王奕？因事赴天津。开始时，他乘骡车走，从城里到丰台，这段仅11公里的路程，他几乎走了一整天。而当他登上豪华的火车车厢，剩下的到天津的130多公里，只走了3个多小时！火车的高速和舒适，给奕？留下了极深刻的印象。因此当他回到北京后，毫不迟疑地下令，让铁路向北京城推进。1897年，津芦铁路就通到了永定门。
1898年（清光绪二十四年），詹天佑由津芦段重返关外，续建因甲午战争而中断的关外铁路。他到锦州后，任总段工程师，负责由中后所到新民段的干线工程。一八九九年铁路修到锦县沟帮子。不料1900年义和团运动爆发，八国联军侵华，关内外铁路由沟邦子向大虎山推进时，再次被迫停工。沙俄侵略军乘机强占关内外铁路，并将关内段的机车、车辆及山海关桥梁材料大批劫走北运。关个段也遭到沙俄侵略强盗的肆意破坏和掠夺。
詹天佑在帝国主义侵略军占领关内外铁路期间，由督办铁路大臣盛宣怀调往萍（乡）—醴（陵）铁路充当工程师。这条铁路是1898年（清光绪二十四年）由盛宣怀倡议兴修的。修这条铁路的目的是将江西萍乡的煤炭转运汉阳，供汉阳铁厂熔铸芦（台）—汉（口）铁路和粤汉铁路所需钢材之用。主持这项工作的是“洋参赞”美国人李治，詹天佑以知府的身份前往协助。不料，李治等人无意修路，又竭力阻挠中国使用1. 435米标准轨距，使中国的铁路轨距永远保持英美制、比法制、日本制、德国制和俄国制等杂然并陈的任人宰割的局面。通过这件事，使詹天佑开始认清美帝国主义的阴险嘴脸。
八国联军的入侵，迫使清政府签订了丧权辱国的《辛丑条约》12条。按照条约，关内外铁路应该归还中国。詹天佑参加了关内外铁路的接收工作。在接收工作中，他面对蛮横贪婪的沙俄强盗，据理力争，他一面接收，一面修复，到1904年（清光绪三十年）关内外铁路才全线修复，詹天佑在工作中尽了自己的最大努力。
1901年（清光绪二十七年）仓惶出逃山西、陕西的慈禧太后和光绪皇帝回到北京。清政府总理大臣李鸿章，因代表清政府与列强签订了丧权辱国的《辛丑条约》，遭到全国人民的唾骂，一病吐血死了。李鸿章临死前，向慈禧太后推荐袁世凯接替他的职位。
清皇室每年春天有祭陵的习俗，清陵分“东陵”和“西陵”两处，东陵在河北省遵化县，西陵在河北省易县。1902年秋，惊魂未定的慈禧太后，一时兴起，下了一道圣旨，要在第二年春天乘火车去西陵谒陵，祭奠雍正、嘉庆和道光皇帝陵寝。为此，拨款60万两，修建铁路支线一条，由河北新城县高碑店经易县达梁各庄。10月，清皇室把工程交给袁世凯办。袁世凯打算请京奉铁路英籍总工程师金达出任西陵铁路总工程师，再次引起英、法两国的利益纷争，双方交涉多时，毫无结果，而距离通车的期限只有4个月了。袁世凯眼看依靠洋人不行了，不得已只好让中国人干。
詹天佑仓促受命，而工程要从测量选线、计划备料做起。时值隆冬，山河冰封雪冻，施工极其困难，而且由于交通不便，材料更是缺乏。詹天佑周密计划，全力以赴，终于在1903年3月（清光绪二十九年）修成了西陵铁路。使慈禧太后能按时赴西陵谒陵。慈禧和袁世凯对詹天佑按时优质完成工程都很满意。因此詹天佑以功加知府衔，然后又以道员选用。
修建这条仅45公里长的西陵铁路的意义，不在于它的经济价值，因为它仅仅是为了慈禧太后祭祖而赶修出来的。但它是第一条完全由中国人自己选线、测量、设计、施工的。西陵铁路揭开了中国自己的总工程师独立修建铁路的序幕。同时，也树立了中国人依靠自己力量修筑铁路的信心。它为中国人依靠自己的智慧和力量修筑京张铁路奠定了技术和心理的基础。
