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.