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.
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.