京张铁路连接北京丰台，经居庸关、沙城、宣化至河北张家口，全长约201.2千米，于1909年建成，是中国首条不使用外国资金及人员，由中国人自行完成，投入营运的铁路（京张铁路建成之前中国最先有新城至高碑店之新易铁路，亦由詹天佑建成，但只供慈禧太后祭祖使用）。詹天佑是建设铁路的总工程师，后兼任京张铁路局总办。

此路“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。詹天佑勇敢地担当起总工程师的艰巨任务，勉励工程人员为国争光，他亲率工程队勘测定线，从勘测过的三条路线中选定了建造成本较为低的一条。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。这路线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，坡度亦很大。八达岭近青龙桥段，为了穿越燕山山脉军都山的陡山大沟，在22千米线路区段内采用了“人”字轨道，列车在用折返方法攀斜；但坡度仍达33.7‰，要由两部机车牵引。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；居庸关隧道长400米。另外有200米长的钢架结构的怀来大桥。

京张铁路在1905年9月4日开工，詹天佑跟铁路员工一起，克服资金不足、机器短缺、技术力量薄弱等困难，出色地完成居庸关和八达岭两处艰难的隧道工程，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，可谓花线少，质量好，完工快。在铁的事实面前，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，是中国人民和中国工程技术界的光荣，也是中国近代史上中国人民反帝斗争的一个胜利。1922年青龙桥火车站竖立詹天佑铜像，1987年，附近再建成詹天佑纪念馆。当时在此进入北京的客车均要停车半小时，参拜詹天佑铜像和纪念馆。

今天的京张铁路是来往北京及包头的京包铁路的首段。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)的丰沙线。丰沙线走的即当年詹天佑认为较好，但因造价较高而被迫放弃的路线。丰沙线一直担任煤运的重任。1972年，丰沙线改建成复线，1984年电气化。现在很多客运列车亦已改行丰沙线。