因此，就确定了中国人必须负起自己修筑和经理京张铁路的任务，此时 清政府不得不同时声称：不任用一个洋工程师，此路全部由中国人自己修筑 和管理，与他国无关。
京张铁路是中国第一条自修的重要铁路，各国的工程界都注意主持这条 铁路的人选和动工时间。光绪三十一年四月（1905年5月），袁世凯、胡橘 棻正式准请清朝政府成立京张铁路总局和工程局，派陈昭常为总办，詹天佑 为总工程师兼会办。
当詹天佑出任京张铁路总工程师兼会办的消息传出以后，那些充满着失 败主义情绪、毫无民族自尊感的大人先生们，有的笑他“不自量力”，有的 骂他“胆大妄为”，也有的说“这不过是白花几个钱罢了”。这些蔑视和嘲 笑都没有影响詹天佑的坚强信心。他决定用事实来回答他们。
这条路决定全部由中国技术人员来修筑，詹天佑遇到的困难当然是很多 的。这是因为在腐败昏庸的清朝政府统治下，中国工程人员是极有限的。但 詹天佑相信，依靠广大的工人和办事员是可以解决困难的。他很自信地说， 没有工程师不要紧，只要有工人，有办事人员，就能互相帮助，互相依靠， 一定会把这条路造成。
光绪三十一年四月 （1905年5月），詹天佑在人才异常缺乏的情况下， 克服了重重困难，着手筹组工程局。设立京张铁路总局于天津，设分局于北 京西城丰盛胡同，同时设工程局于北京。又在北京设立材料厂，在丰台设立 购地所。工程局由詹天佑亲自负责，所有工程师均由詹天佑量才调度，同时 他又兼任材料管理的职务。
工程局成立以后，詹天佑立即怀着兴奋的心情，带了几个学生和他的工 程队的一部分人员来北京开始测线。
京张线的初测工作，由詹天佑和学生张鸿浩、徐士远担任，他们从丰台 以东京奉路柳村第60号桥起，经西直门顺大道直奔张家口。由北京往西北， 沿途横阻着崇山峻岭，其中以关沟地带为最高。这个地方称作南口河谷。从 南口到西拨子共长20公里，包括东园、居庸关、四桥、三堡、青龙桥和最高 峰八达岭。这一带，尽是悬崖峭壁，通过关沟地区的老龙背、蛇腰湾、鹞儿 梁、石壑子等处，坡度极陡，工程浩大。詹天佑等测完这条线路以后，感到 由于通过能力低，运输量受到很大限制，于是在从张家口往回测的时候，又 设法寻找其他的线路。
詹天佑在紧张的选线测量工作中，经常勉励工作人员说：“全世界的眼 睛都在望着我们，必须成功！”“不论成功或失败，决不是我们自己的成功 或失败，而是我们的国家！”“技术第一要求精密，不能有一点含糊和轻率。
‘大概’、‘差不多’这一类说法，不应该出自于工程人员之口。”有些技 术人员测量过的地点，他又带着仪器再行复勘一次。有一个青年技术人员表 示很不高兴，背后说：“你既然不放心，自己还要测量，又何必叫我们测量 呢？”詹天佑听见了，既严肃又和蔼地对他说：“并不是我不信任你们，科 学的工作，多一个人检查，总是好的。诸位的责任是太重大了！”这个技术 人员被他这种负责的精神所感动，就自动的一次又一次地复勘来校正错误。
詹天佑等回测的路线是经过怀来县、延庆州、小伏家口，沿着热河至北 京的大道，经得胜口过山，过明十三陵、黄土梁而到北京。这样就可以绕过 关沟地带，但路途绕远，坡度也不小，工程并不比前线简单。
詹天佑不怕艰苦劳累，又去勘查了第三条线路，这是一条理想的，但是 也是工程浩大的线路。这条线路是由西直门迤西40里，绕石景山，经过三家 店，沿永定河，从青石口到沙城附近的猪河口出山，到达张家口。詹天佑计 划中的这条线路，主要沿永定河畔的峭壁修建，工程比关沟还要艰难，但通 过能力较高，运输量可能增加数倍。当时不少人都想采用这条比较合理的线 路，并且也制成了预算和工程计划，但由于清政府批准的款项和时间限制， 采用此线不仅不能按时完工，而且经费也要超过许多，于是詹天佑只得放弃 这一条线路。而这条线路正是现今的丰沙线。
初测完成以后，詹天佑决定采用通过关沟的一条线路，于是又调配人员 分别全面进行复勘定线，把全线分成三段。第一段由丰台至南口，詹天佑自 行插标，由副工程师陈西林、学生张鸿浩、徐士远等详细测量定线；靠近南 口山麓地势高的部分，由副工程师俞人风、柴俊畴勘定。第二段由南口到康 庄，中间要经过关沟。由南口至八达岭虽仅二十余公里，但高度均在600米 左右，须开凿大约1080米以上的隧道，由陈西林、张鸿浩勘测。至于八达岭 隧道的定线。则派副工程师颜德庆，工程员张鸿浩、苏以昭等负责。第三段 由康庄至张家口，由副工程师翟兆麟，学生刘锜、李鸿年、耿瑞芝，练习生 吴廷叶、傅菊樵等负责。
勘测之后詹天佑即将勘测的情形向清政府做了如下的报告：
（一）全路里程按驿站计420里，以测量路程计360里，此路中隔高山 峻岭，石工最多，桥梁又有7000余尺。路险工艰为他处所未有，每里约估银 两万两（仍俟细勘方能估实数目）。
（二）第一段由丰台修至南口，长104里，从速动工约年余方可竣工， 随即行车卖票，冀得少获余利，且于转运材料亦较为直接。
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