京张铁路建成之后，清政府邮传部因自办铁路得到成功，对修筑铁路增加了信心，在京张铁路完工前夕，就决定将京张线从张家口延向绥远，并委派詹天佑兼任张绥路总工程师。张绥路工程分为4段，第一段由张家口到天镇县，计长180里，并派工程师勘测路线。1909年10月开始，詹天佑亲自复测，发现原定路线有不妥之处，遂派人重新勘测。后来詹天佑又复测了修改后的路线。1909年10月张绥路开始动工。1911年11月钢轨铺到阳高。这时辛亥革命爆发，英方停拨京奉铁路余利，张绥铁路工程被迫中断。在修建张绥路的同时，詹天佑还负责粤汉川线铁路工程。
粤汉铁路的修建，有着一段曲折的过程。
1898年，盛宣怀提议向美国商人借款，用于修筑粤汉铁路。光绪皇帝派出使美国的伍廷芳与美商在美国签订贷款协定，由该公司筹集英镑400万镑。并掠去了铁路上的用人权、培训技术人员权和运兵权。但协定规定，铁路股票不允许转让第三国。美商违背协议，将股票进行投机买卖，偷偷将三分之二的股票转让给比利时商人。美商的违约行为，激起川、湘、鄂商人的不满，纷纷要求收回自办。清政府的那些卖国大臣，几经交涉，美商在赎路费上大敲竹杠。遂又向英国借款，用以支付赎路费。
清政府赎回粤汉路后，交鄂粤湘等省绅商办理。1906年5月，成立商办粤汉铁路有限公司。决定由广州向北修筑干线。并邀詹天佑赴粤主持筑路事宜。由于当时詹天佑正在忙于修建京张铁路，没有成行，故公司推举邝孙谋为总工程师。
在川汉路方面，1909年，川省公司决定先修宜昌至万县一段，也邀詹天佑为总工程师。年底，詹天佑到宜昌赴任。
1910年，商办粤汉铁路公司股东大会，公推詹天佑为粤汉路总理。詹天佑在宜昌主持宜昌——万县铁路工程开工。然后南下广州就职。
这样，在修成京张铁路后的詹天佑为祖国的铁路建设事业，往来奔波于北京、宜昌、广州之间。
1908年，清政府为统一管理粤汉铁路路政，委派军机大臣张之洞兼任督办粤汉铁路大臣。第二年，张之洞借口两湖商人财力不足，若凭商人自行筹款兴办，决难早日完工。因此决定借用外资，由英、法、德、美四国组成四国财团，提供资金。1909年8月，张之洞去世，借款一事由邮传部接办。
1911年5月9日满清政府颁布“天下干路，均归国有”的命令。完全取消了《矿务铁路公共章程》的有关允许民办铁路的规定。5月20日，邮传部大臣盛宣怀与四国银行团签订借款合同，向4国借款600万英磅。从此粤汉铁路的主权就被各国列强所瓜分。
川粤汉路借款合同签订之后，各方群起反对，爆发了粤、川、鄂、湘四省轰轰烈烈的保路运动。终于导致了辛亥革命，结束了大清王朝的封建统治。
辛亥革命后，詹天佑仍然兼任商办粤路总理并总工程师，后辞去粤路总理兼总工程师职务。
第一次世界大战后，各国列强代表聚集海参崴，借口组织协约国监管西伯利亚铁路委员会。以将来军事运输方便为辞，将在我国境内的中东铁路一段也纳入监管之列。詹天佑据理力争，认为中东铁路原在我国境内，是中俄共管的运输事业，如今俄国政局有变，当由中国政府接管。可是软弱的北洋政府，在受到列强的压力之后退缩了，竟承认了共同监管铁路办法。并任命詹天佑为技术部中国委员。
当时的詹天佑由于长期的奔波于全国各条铁路上，早已积劳成疾，又不能适应海参崴的严寒气候。不得已南下就医。
1919年4月15日，他由哈尔滨赶回汉口就医，20日住进汉口仁济医院，24日下午3时半，为中国铁路事业辛勤奋斗了一生的詹天佑病逝于医院，享年仅58周岁。
为了纪念詹天佑对祖国铁路建设事业的卓越贡献，在他逝世后的两个月，中华工程师学会的邝孙谋、京绥铁路同仁会的丁士源等人，呈准当时的北洋政府，在八达岭树立詹天佑铜像。1922年4月23日，也就是詹天佑逝世三周年的前一天，中华工程师学会与京绥铁路职工在八达岭下青龙桥车站站台西端举行詹天佑铜像揭幕典礼。铜像由日本东京美术学校承造，高8英尺，台址高11英尺11英寸。碑文是北洋政府总统徐世昌颁给的，其中有这样几句话：
“海通以来，我国选派人士游学东西洋，四十余年，项背相望，以迄今日，求其功绩昭著，坚苦卓绝，与海内外同声赞美，盖未有若詹君者也。”