В поисках оптимальных решений русские инженеры обратились к зарубежному опыту железнодорожного строительства. Самым логичным было использовать опыт тех стран, которые по своим природным условиям в наибольшей степени близки к Сибири: в первую очередь речь шла о Канаде и США. Достижения североамериканских строителей привлекали особенное внимание русских специалистов. Так, применявшийся в США метод упрощенного железнодорожного строительства позволял строить железные дороги в 2,5 раза дешевле, чем в России. А огромные лесные богатства Сибири позволяли широко использовать в работах деревянные материалы точно так же, как это практиковалось в Америке. Профессор М.Н. Герсеванов прямо называл американцев «нашими учителями, так как они действуют на такой же обширной и малоисследованной территории, во многом схожей с нашею, русскою территорией».

В 1880-е гг. русские инженеры начали регулярно выезжать в США. Американские специалисты принимали своих коллег чрезвычайно гостеприимно, оказывали им полное содействие в осмотре сооружений, получении необходимых технических, экономических и юридических данных, посещении библиотек, музеев. А инженеры Н.С. Кругликов и А.И. Имшеник-Кондратович специально съездили в Канаду, чтобы познакомиться с практикой строительства Тихоокеанской железной дороги. По результатам своей командировки они представили подробнейший отчет об осмотре, снабдив его массой приложений – записок, карт, чертежей, фотографий и т. д.

Созданная в 1887 г. комиссия Императорского Русского технического общества рекомендовала применять для облегчения и удешевления постройки Транссиба наиболее ценные достижения американских строителей. Так, предлагалось строить эстакады и виадуки вместо высоких и дорогих насыпей, создавать деревянные ограждения от снежных заносов, увеличить количество укладываемых шпал на версту пути, соответственно уменьшив вес рельсов, а вместо постройки регулярных мостов через большие реки первоначально ограничиться устройством паромных переправ, а зимой укладывать рельсы прямо на крепкий сибирский лед. В технических документах тех лет то и дело можно встретить слова «по типу американских ледорезов», «применяясь к типам чугунных труб, встречающимся в Америке» и т. д. Однако речь, конечно, здесь шла не о простом копировании, а об адаптации американских достижений к специфическим условиям Сибири.

Так, например, известно, что все великие сибирские реки текут с юга на север, в силу чего весенние половодья на этих реках носят сокрушительный характер. Они сопровождаются мощными ледоходами, заторами, значительными колебаниями паводкового уровня. В таких условиях паромные переправы были просто не способны обеспечить непрерывность движения по Транссибу. Единовременная затрата средств на более дорогие постоянные мосты была здесь намного выгоднее.

Большинство дорог Северной Америки строились на частные средства. Особенность Транссиба заключалась в его постройке «средствами и распоряжением казны». Было подано много предложений и от иностранных предпринимателей. Но правительство России, опасаясь усиления влияния иностранных компаний в Сибири и на Дальнем Востоке, отклонило эти предложения.

Накануне начала строительства магистрали огромные пространства Сибири были почти не изучены. Требовалось предварительно осуществить большую программу исследований придорожной полосы – без этого успех дела был попросту невозможен. О большом значении изучения прилежащих к магистрали местностей говорил и опыт постройки Канадской Тихоокеанской железной дороги. В 1887 г. под руководством инженеров Н.П. Меженинова, О.П. Вяземского и А.И. Урсати были организованы три экспедиции для изыскания трассы Среднесибирской, Забайкальской и Южно-Уссурийской железных дорог. На участке дороги Обь – Томь изысканиями руководил известный инженер и писатель Н.Г. Гарин-Михайловский, которому принадлежит выбор трассы без захода в Томск.

К началу 1890-х годов экспедиции в основном завершили свою работу. В январе 1891 г. был создан Комитет по сооружению Сибирской железной дороги, а 19 мая (31 мая по новому стилю) 1891 г. в 10 часов утра во Владивостоке состоялась торжественная церемония закладки рельсового пути.

Строительство Транссибирской магистрали велось одновременно с двух сторон – из Владивостока и Челябинска. Потребность в рабочих удовлетворялась вербовкой и переброской в Сибирь строителей из центра страны. Значительную часть строителей составляли ссыльные и солдаты. Всего на сооружении Транссиба в 1891 г., в начале стройки, работало 9600 человек, в 1895–1896 гг., в разгар строительных работ – 84–89 тысяч, а в 1904 г., на завершающем этапе – только 5300 человек. Почти все работы производились вручную, орудия труда были самые примитивные – топор, пила, лопата, кайло и тачка. Несмотря на это ежегодно прокладывалось около 500–600 км железнодорожного пути. По быстроте сооружения (12 лет), по протяженности (7,5 тыс. км) и объему выполненных работ Транссибирская магистраль не знает себе равных во всем мире.

Сооружение Транссибирской магистрали осуществлялось в суровых природно-климатических условиях. Почти на всем протяжении трасса прокладывалась по малозаселенной или безлюдной местности, в непроходимой тайге. Она пересекала могучие сибирские реки, многочисленные озера, болота и зоны вечной мерзлоты. Исключительные трудности для строителей представлял участок вокруг Байкала. Здесь приходилось взрывать скалы, прокладывать туннели, возводить искусственные сооружения в ущельях горных речек, впадающих в Байкал.

Строительство магистрали потребовало огромных средств. По предварительным расчетам Комитета по сооружению Сибирской железной дороги, ее стоимость определялась в 350 миллионов рублей золотом, поэтому любыми путями изыскивались способы экономии. Мосты через небольшие речки и здания второстепенных станций по возможности строили деревянными; там, где можно, сокращали ширину насыпи.

К 1903 г. было произведено более 100 миллионов кубометров земляных работ, заготовлено и уложено более 12 миллионов шпал, около 1 миллиона тонн рельсов и креплений, построено мостов и туннелей общей протяженностью 100 км. Только при сооружении Кругобайкальской железной дороги протяженностью немногим более 230 км было построено 50 галерей для предохранения пути от горных обвалов, 39 туннелей и около 14 км подпорных стенок. Расходы на сооружение всей магистрали превысили 1 миллиард золотых рублей.

Прокладка Южно-Уссурийской дороги, начатая в апреле 1891 г., закончилась в 1894 г., а тремя годами позднее был сдан ее северный участок. Строительством линии до октября 1892 г. руководил инженер А.И. Урсати, затем его возглавил О.П. Вяземский. Дорога прокладывалась через сильно пересеченную местность, в трудных климатических условиях. На этом участке Транссиба было построено 260 искусственных сооружений, в том числе 78 металлических и 150 деревянных мостов, мосты через реки Хор, Бикин, Иман, Уссури, Ледгу, двухпутный туннель через Кипарисовский перевал протяженностью 0,4 версты. Многие станции и разъезды получили название по именам строителей – Вяземская, Иловайская, Гедике, Дормидонтовка, Прохаско, Эбергардт, Бочарово и др. Временное движение на участке от Владивостока до Хабаровска протяженностью 772 км открылось 26 октября 1897 г., постоянное – 13 ноября 1897 г.