1899年3月，中英劃定新租借地界址後不到十天，英國即提出一份《九廣鐵路合同》草稿，與清政府協商。《合同》把廣九鐵路分為二段，香港內一段歸港英當局修建，中國內地一段由清政府修建。《合同》草稿規定：清政府向英方借款150萬英鎊，以鐵路作抵押。合同還規定鐵路的內地一段，要重金聘用英國總工程師、總管理人員來修建，建造鐵路的全部材料也要以高價購買英國的。借款以九折交付，即清政府借100英鎊，實際得到90英鎊。年息5厘，每年分兩次付息，期限50年，鐵路未建成前，利息照付，並且可由所借款項中支付利息。按照這個合同，實際上整個鐵路的修建完全控制在英國人手中。因為條件如此苛刻，遭到中國廣大人民的強烈反對。協商停頓下來。
廣州部分商人與澳門葡萄牙商人協商，准備修建廣澳鐵路以取代廣九鐵路。1904年11月，中葡雙方簽訂了《廣澳鐵路合同》。
彌敦一到任，就看准了廣九鐵路項目。他認識到，這是英國政府一直想解決而沒有解決的一個大問題，一旦與清政府達成築路協議，英國公司將因此得到很多中標機會，清政府將不得不優先向英國要求附有政治條件的貸款，英國的勢力范圍也將在中國內地得到有效的延伸。為此，彌敦決意要把修路工程協議從葡萄牙人手里奪回來。于是，他通過倫敦照會中國政府：
“香港政府希望就廣九鐵路的一些具體問題與中國政府進行談判，出于合作的誠意，我們也准備作出必要的讓步，希望中國政府能夠理解我們的良好動機。”
于是，英國在談判上作了一些讓步，借款改為94折交付，即中國借英國100英鎊，實收94英鎊，期限改為30年，12年半之後開始還本。其余年息5厘，借款150萬英鎊，以鐵路作抵押，仍然不變。當時，怡和洋行與彙豐銀行兩家英資洋行聯合組成“中英公司”，取得了廣九鐵路的建築權。
廣九鐵路的最初藍圖，是由駐港英軍陸軍總司令克勒克擬定的。彌敦到任後，因為他是工程師出身，熟悉工程，對以前的築路方案作了審核修正。制訂出新的方案。原來的廣九鐵路要經過惠州，新方案是過羅湖到深圳，經石龍而達廣州，避免了工程上的浪費，縮短了行車時間。鐵路全線總長181公里，其中香港區內干線長34公里，由九龍尖沙咀車站至深圳羅湖站。稱為廣九鐵路英段。廣東區內干線長147公里，由羅湖至廣州火車站。
據白帆先生在“往事只能回味”專欄里記述，彌敦去任不久，1907年8月，廣九鐵路內地段工程開工，分三段進行，第一段由廣州大沙頭到仙村；第二段由仙村到橫瀝；第三段由橫瀝到深圳。中國著名鐵路工程師詹天佑擔任顧問，英國人出任總工程師。鐵路全線共有大拱橋七座，分別為仙村橋、石廈橋、石灘橋、北江橋、間水橋、石龍東橋和東莞橋。
由于從尖沙咀到羅湖橋畔的一段九龍鐵路，由英國人興建，所以在合同上有“各歸各辦”的規定，這段九龍鐵路，就是廣九鐵路香港段了。
興建香港段鐵路的資金，采用發行公債方式籌集。1906年7月26日開始建造，最大工程是開鑿兩座大山的工程。其中獅子山隧道全長近2200米，1911年建成路軌。
1910年，廣九鐵路將要完成時，英國方面提出通車辦法，按照滬甯鐵路的辦法，提出三點無理要求：①由英方執掌全路行車權力；②英人擔任車務總監；③英國公司議定各班火車票價。
為了與英方解決通車問題，清政府設立全國鐵路總局，梁士貽出任總局長。關于廣九鐵路通車談判，遂由梁士貽擔任。由于英方所提要求過于苛刻，談判曆時一年才告完成。清廷郵傳部派詹天佑、黃仲良接任粵漢公司。並將粵漢鐵路與廣九鐵路接軌地段交由粵漢公司建築，並且規定非至黃埔車站建成，粵漢鐵路與廣九鐵路不得接軌通車。
1911年8月14日，廣九鐵路全線正式通車，中英官員步行至羅湖，主持接軌典禮。10月，又開通廣九直通車，由九龍車站和廣州車站開出，沿途不上下旅客，分別直達廣州和九龍總站。