Сооружение западного участка магистрали от Челябинска началось в 1892 г. Спустя год открылось движение на линии Челябинск – Курган, в 1894 г. – Курган – Омск, в 1896 г. Западно-Сибирская железная дорога от Челябинска до Новониколаевска (ныне Новосибирск) протяженностью 1422 км была полностью сдана в эксплуатацию. На ней было возведено 274 искусственных сооружения. В зимнее время через реку Обь устраивалась ледовая переправа, летом – переправа на баржах. Лишь в 1899 г. через Обь был построен железнодорожный мост.

Западный участок дороги проходил по равнинной, часто заболоченной местности (Барабинская, Ишимская, Кулундинская степи). Зато далее магистраль пришлось вести в основном по горным районам – через отроги Алтая, Алатау, Саянского хребта, через тайгу и болота. Полотно укладывали на высоких насыпях, в глубоких выемках. На всем протяжении западного участка было построено 1439 искусственных сооружений, в том числе 717 мостов (самые крупные – через реки Тобол, Ишим, Иртыш, Томь, Чулым, Енисей). 6 декабря 1895 г. первый поезд прибыл в Красноярск. Отсюда началась прокладка дороги на Иркутск. Полностью постройка Среднесибирской железной дороги – от Оби до Иркутска – протяженностью 1839 км была завершена в 1899 г.

Забайкальский участок дороги – от Иркутска до Сретенска – начал строиться в 1895 г. Его протяженность составила 1700 верст. Изыскания, проведенные в 1893–1894 гг. под руководством инженера Г.В. Адрианова показали, что на участке между Читой и Верхнеудинском основное направление дороги необходимо отклонить от первоначально избранного. А после того, как в 1897 г. реки Селенга, Хилка, Ингода и Шилка вышли из берегов, разрушили уже уложенное полотно дороги на протяжении 360 км и снесли 15 мостов, трассу снова пришлось перемещать – на 100 км вверх, на скалистые косогоры.

На линии Иннокентьевская – Иркутск движение открылось в 1899 г., на участках Иркутск – Байкал и Мысовая – Сретенск – в 1900 г., в 1903 г. завершилось строительство линии Танхой – Мысовая, а два года спустя поезда впервые прошли между Байкалом и Танхоем. В 1907 г. на станции Мозгон было построено первое в мире здание на вечной мерзлоте. Метод установки домов на каменных сваях в зоне вечной мерзлоты позже был использован в Канаде, Гренландии, на Аляске.

Сквозное движение по Забайкальской железной дороге открылось в 1909 г. Для соединения европейской части России с Тихоокеанским побережьем сплошным рельсовым путем теперь недоставало примерно двух тысяч километров железнодорожного полотна от Хабаровска до Сретенска. Из-за сложных климатических и геологических условий на Амурском участке, а также по политическим соображениям правительство на первых порах отказалось от строительства здесь дороги и решило идти более южным путем, через Маньчжурию. Так возникла построенная в 1901–1903 гг. Китайско-Восточная железная дорога, проходящая по территории Маньчжурии через Харбин до станции Гродеково (Пограничная). В 1901 г. построена линия от Гродеково до Уссурийска, и Владивосток был связан железнодорожным сообщением с центром России.

31 мая 1908 г. Государственный совет принял решение о постройке Амурской железной дороги. Сооружение этого участка Транссиба от станции Куэнга до Хабаровска протяжением более 2000 км началось в 1907 г. Строительство велось в чрезвычайно трудных климатических условиях, в районах вечной мерзлоты, в малонаселенной местности. На прокладке было занято до 20 тысяч рабочих из центральных губерний России и Сибири. Руководили работами инженеры Подруцкий, А.В. Ливеровский и В.В. Трегубов. На Амурской железной дороге ими были построены многие уникальные искусственные сооружения, в том числе крупнейший в России мост через Амур и первый в мировой практике туннель в вечномерзлом грунте с применением теплоизолирующего слоя между обделкой туннеля и породой. При прокладке Амурской дороги был впервые применен и способ образования в условиях минусовых температур опоры моста из бетона с использованием его подогрева.

Сквозное железнодорожное сообщение по Транссибирской магистрали от Челябинска до берегов Тихого океана по территории России было открыто только в октябре 1916 г., после окончания строительства Амурской железной дороги и ввода в строй Амурского моста.

Железнодорожные мосты, переброшенные через 28 больших рек Сибири, стали самыми выдающимися произведениями инженерно-строительного искусства на Транссибирской магистрали. Одним из ярчайших образцов научно-технической мысли того времени был мост через Енисей. В 1900 г. на Всемирной выставке в Париже его модель была удостоена высшей награды – «Гран-при». Впервые крупное достижение русских ученых и инженеров заняло достойное место в ряду выдающихся технических произведений XIX столетия, таких, как символы промышленной эпохи – Эйфелева башня и Галерея машин.

Закладка этого «сибирского великана» состоялась 30 августа 1896 г. Работами руководил инженер-механик Е.К. Кнорре. Общая длина Енисейского моста составила 400 саженей (около 850 метров). При его возведении впервые в практике мостостроения в России применен метод продольной надвижки ферм. Каждая из шести главных металлических ферм имела длину 66 саженей 2 аршина (около 142 метров), а высоту —10 саженей (21,3 метра). Такие размеры делали этот мост наиболее значительным инженерным сооружением России. Его торжественное открытие состоялось 28 марта 1899 г.

Енисейский мост проектировал талантливый инженер, впоследствии крупный ученый в области мостостроения Л.Д. Проскуряков. Он же был автором проекта крупнейшего в России моста через Амур. Железнодорожный мост через Обь проектировал другой выдающийся русский инженер, Н.А. Белелюбский. По его же проектам построены мосты через реки Томь, Ия, Уда, Кия.

Крайне напряженным стало движение по Сибирской и Забайкальской железным дорогам во время русско-японской войны. Магистраль не справлялась с передвижением войск и с доставкой воинских грузов. Кроме того, еще не был достроен участок Кругобайкальской железной дороги. Эта дорога сооружалась с 1899 г. Проложенная по южному берегу Байкала, она соединила станции Байкал и Мысовая, расположенные на противоположных берегах озера. Предварительные изыскания трассы показали сложность проходки и высокую стоимость строительства. Поэтому в 1900 г. была открыта временная железнодорожная паромная переправа, и до 1905 г. связь между западным и восточным берегами Байкала осуществлялась с помощью паромной переправы. Паром-ледокол «Байкал» водоизмещением 3470 тонн перевозил за один рейс 25 груженых вагонов. В зимний период от станции Байкал до Танхоя прокладывали по льду озера рельсовый путь. В отдельные дни таким способом переправляли до 220 вагонов.

Прокладкой пути вокруг Байкала руководил инженер А.В. Ливеровский, который впервые в практике железнодорожного строительства в России применил электричество для освещения жилья строителей и привода бурового оборудования при разработке скальных пород. При сооружении Кругобайкальской железной дороги было построено множество искусственных сооружений, в том числе уникальное здание вокзала на станции Слюдянка из белого мрамора. Позже в связи с постройкой Ангарской ГЭС линия Иркутск – Лиственничная попала в зону затопления и была разобрана. Взамен нее в 1957 г. была проложена линия Иркутск – Култук, а участок Байкал – Култук стал тупиковым.