В первую очередь инженеры решили прокладывать линию от Сокольников, через Каланчевскую площадь с ее тремя вокзалами до Крымской заставы. В ноябре 1931 года во дворе неприметного домика на Русаковском шоссе (ныне дом 13а по Русаковской улице) был заложен участок «для изучения особенностей сооружения тоннеля закрытым способом в натурных условиях».
Строительство подземки началось, но неясным оставался целый ряд важнейших вопросов, которые решали по ходу дела: глубина заложения некоторых станций и путевых тоннелей, способы проходки горных выработок и доставки пассажиров с поверхности на перроны станций. Сначала решили обойтись открытым способом прокладки тоннелей, который возможен при их неглубоком заложении – не более 12—15 метров от поверхности. При открытом способе роют траншею, обделывают тоннель и засыпают грунтом. Когда на опытном участке повредили трубы водопровода и канализации, поняли, что такой вариант подходит не везде и надо вести тоннели глубже, а значит, проходить их придется закрытым способом, как шахты.
Под землей метростроевцев поджидало немало сюрпризов: выпучивания и вывалы грунта; прорывы подземных вод и мокрого песка – плывуны; провалы в подземные полости – карстовые воронки. Грунтовые воды московского подземелья особо агрессивные, они способны разъедать железо и сталь, бетон и чугун.
Первые три года строительство мало продвигалось вперед, постоянно буксуя в чересполосице московских недр. К концу 1933 года сделали 6% намеченных работ. Лишь тогда поняли, что план срывается и надо форсировать события, а для этого коренным образом нужно менять технологии проходки тоннелей и механизацию работы. В 1933 году в Англии купили проходческий щит – машину, которая вгрызается в землю, оставляя за собой готовый тоннель. Когда 130-тонный агрегат собрали на площади около Большого театра, люди смотрели на него как на диво, мало кто верил, что такая махина заработает. Потом щит разобрали и спустили под землю на участок площадь Свердлова – площадь Дзержинского, который нельзя было пройти вручную. Машина успешно работала под управлением двух англичан.
В щит поверили, и по английским чертежам изготовили русский вариант. Стремясь запустить машину к 1 Мая, ее наскоро собрали и поставили в шахту под площадью Дзержинского. Какое-то время все шло нормально, но затем тоннель стало затапливать, насосы не справлялись и мокрые с утра до вечера люди бетонировали щели и трещины. Приближался плывун под рекой Неглинкой, который грозил большими авариями, в том числе разрушением ветхого коллектора реки, которая хлынула бы в тоннель, а расположенные наверху здания Малого театра и «Метрополя» рухнули бы вниз. Пришлось срочно переходить на кессонный способ строительства. В тоннель накачивали сжатый воздух, чтобы удержать мокрые пески и обрушения сводов. Люди проходили в забой и выходили через шлюзовые камеры. Медики настаивали на строгом соблюдении режима шлюзования и пребывания под высоким давлением, но разве комсомольцев удержишь, они рвались вперед, нарушая технику безопасности, и расплачивались за это кессонной болезнью.
Постепенно метод щитовой проходки освоили, и это вывело стройку на новый уровень.