การก่อสร้างทางรถไฟสายเหนือของประเทศไทย จากกรุงเทพฯ ถึงนครเชียงใหม่นั้นได้เริ่มมาตั้งแต่รัชสมัยพระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว เมื่อ พ.ศ.๒๔๓๘ โดยเริ่มการก่อสร้างทางรถไฟสายเหนือช่วงแรกจากกรุงเทพฯ ถึง จ.พระนครศรีอยุธยา ระยะทาง ๗๑ กม. เป็นปฐมฤกษ์ทางรถไฟสายเหนือนี้รัฐบาลไทยในสมัยนั้นมีแนวความคิดทีจะสร้างขึ้นไปจนถึงนครเชียงใหม่ ส่วนทางใต้ก็เริ่มสร้างทางรถไฟสายใต้จากสถานีบางกอกน้อย ตลอดความยวของภาคใต้เพื่อไปบรรจบกับทางรถไฟของอังกฤษในสหพันธรัฐมลายู สำหรับทางสายตะวันออกมีแนวความคิดที่จะสร้างทางรถไฟจากกรุงเทพฯ ไปจนถึงอรัญประเทศ เพื่อเชื่อมต่อกับทางรถทางรถไฟของอินโดจีนฝรั่งเศษ ส่วนทางตะวันตกนั้นสภาพบ้านเมืองยังเป็นป่าเขาทุรกันดาร หากสร้างทางรถไฟสายตะวันตกนั้นจะไม่คุ้มค่า และยังไม่มีทางรถไฟของอังกฤษในพม่ามาเชื่อมต่อจึงรั้งรออยู่ อย่างไรก็ดีในสงครามมหาเอเชียบูรพา ญี่ปุ่นได้สร้างทางรถไฟสายนี้ขึ้น เพื่อใช้ในการส่งกำลังบำรุงในกองทัพของญี่ปุ่นที่เข้าไปทำการรบในประเทศพม่าโดยสร้างทางแยกจากสถานีรถไฟหนองปลาดุก ผ่าน จ.กาญจนบุรี ข้ามแม่น้ำแควใหญ่เลียบไปตามขอบเขาผ่านช่องพระเจดีย์สามองค์ไปถึงเมืองทวายในประเทศพม่า ดังที่ได้ทราบกันดีแล้วถึงความทารุณร้ายกาจเต็มไปด้วยภยันตราย ความเจ็บไข้ และความทุกข์ทรมาน ของบรรดาเชลยศึกชาติฝ่ายสัมพันธมิตร คือ อังกฤษ และฮอลันดา ซึ่งต้องล้มตายลงเพราะถูกบังคับให้ไปสร้างทางรถไฟสายนี้ จนมีคำกล่าวว่าเชลยศึกต้องเสียชีวิตไปเป็นจำนวนใกล้เคียงกับจำนวนไม้หมอนที่ทอดรับรางรถไฟสายมรณะนี้
               การก่อสร้างทางรถไฟในระยะเริ่มแรกนั้น ได้แยกความรับผิดชอบออกเป็น ๒ ส่วนคือ
               ๑. ทางรถไฟสายเหนือ มีนายแอล ไวเลอร์ วิศวกรชาวเยอรมันเป็นผู้รับผิดชอบมีตำแหน่งเป็น “ เจ้ากรมการรถไฟสายเหนือ ” การก่อสร้างจึงเป็นไปตามแบบแผนของชาวเยอรมัน และมีขนาดกว้างของทางรถไฟ ๑.๓๔๕ เมตร
               ๒. ทางรถไฟสายใต้ มี มร.เอช กิตตินซ์ ชาวอังกฤษเป็นผู้รับผิดชอบ เรียกชื่อตำแหน่งว่า “ นายช่างผู้บังคับการรถไฟสายใต้ ” แบบแผนการก่อสร้างเป็นไปตามอย่างอังกฤษ และมีขนาดกว้างของทางรถไฟ ๑.๐๐ เมตร ( Meter Gauge ) เพื่อให้สามารถเชื่อมต่อกับทางรถไฟของอังกฤษในสหพันธรัฐมลายูได้
               สงครามโลกครั้งที่ ๑
               เมื่อปี พ.ศ.๒๔๕๗ (ค.ศ.๑๙๑๔) ได้เกิดสงครามขึ้นระหว่างประเทศมหาอำนาจในท่ามกลางทวีปยุโรปโดยฝ่ายสัมพันธมิตรซึ่งมีอังกฤษ และฝรั่งเศสเป็นหัวหน้าฝ่ายหนึ่ง กับฝ่ายเยอรมัน ออสเตรีย – ฮังการี อีกฝ่ายหนึ่ง แล้วแผ่ขยายออกไปจนกลายเป็นสงครามโลกครั้งที่ ๑ ขึ้น ในระยะต้นแห่งสงครามประเทศไทยได้ประกาศเป็นกลางโดยเคร่งครัดแต่ต่อมาเมื่อการสงครามได้แผ่ขยายเข้ามาในภูมิภาคเอเชีย พระบาทสมเด็จพระมงกุฏเกล้าเจ้าอยู่หัว ทรงมีพระราชดำริว่าการสงครามอาจกระทบกระเทือนมาถึงประเทศไทยได้ ประกอบกับในระยะหลังของสงคราม ประเทศไทยมีแนวโน้มที่จะเข้าเป็นฝ่ายสัมพันธมิตรซึ่งจะต้องเป็นศรัตรูกับเยอรมันอาจทำให้การก่อสร้างทางรถไฟต้องหยุดชงักลงอันเป็นผลเสียหายอย่างมากต่อการคมนาคมและการเศรษฐกิจของประเทศ ดังนั้นพระบาทสมเด็จพระมงกุฏเกล้าเจ้าอยู่หัว จึงโปรดเกล้าฯ ให้รวมกิจการรถไฟทั้งสายเหนือ และสายใต้เข้าด้วยกันเรียกชื่อใหม่ว่า กรมรถไฟหลวง และโปรดเกล้าฯ แต่งตั้งพระเจ้าน้องยาเธอกรมขุนกำแพงเพชรอัครโยธิน (พระองค์เจ้าชายบุรฉัตรไชยากร) เป็นผู้บัญชาการกรมรถไฟหลวง เมื่อวันที่ ๒๗ มิถุนายน ๒๔๖๐ พร้อมกับให้ยุบตำแหน่งเจ้ากรมรถไฟสายเหนือ คือ นายแอล ไวเลอร์ มาเป็นหัวหน้ากองแบบแผน แผนกกรมรถไฟหลวง และยุบตำแหน่งนายช่างผู้บังคับการรถไฟสายใต้คือ นายเอช กิตตินซ์ มาเป็นที่ปรึกษากรมรถไฟหลวง
               การเปลี่ยนแปลงข้างต้นนี้ เป็นไปด้วยความเรียบร้อย และสามารถแก้ไขปัญญาข้อขัดข้องในกรณีที่อาจจะมีภาวะสงครามระหว่างประเทศไทยกับเยอรมันได้เป็นอย่างดี ด้วยความสามารถ และพระวิริยะอุตสาหะ ของเสด็จในกรมพระกำแพงเพชร พระบิดาทหารช่าง ซึ่งดำรงตำแหน่งผู้บัญชาการกรมรถไฟหลวงพระองค์แรก
               การเตรียมการของฝ่ายไทย
               เพื่อเตรียมการในกรณีที่จะมีภาวะสงครามกับฝ่ายเยอรมัน และทำให้บรรดานายช่างวิศวกร และนายช่างผู้ควบคุมงานการก่อสร้างทางรถไฟสายเหนือต้องถูกออกจากงานในฐานะชนชาติศัตรูทางราชการของไทยจึงจัด และปรับปรุงหน่วยทหารช่างเพื่อฝึกสอนให้มีความรู้ความสามารถเข้ารับช่วงดำเนินการก่อสร่งทางรถไฟสายเหนือสืบต่อจากวิศวกรชาวเยอรมันได้ทันท่วงที โดยดำเนินการเป็นขั้นตอนตามลำดับดังต่อไปนี้.-
               ๑. ออกข้อบังคับกระทรวงกลาโหม ลงวันที่ ๓ ธันวาคม ๒๔๕๗ เปลี่ยนชื่อกรมจเรทหารช่าง เป็น กรมจเรทหารบก และเปลี่ยนชื่อโรงเรียนฝึกหัดการช่างทหาร เป็นโรงเรียนช่างทหาร แบ่งออกเป็น ๔ แผนก คือ แผนกที่ ๑ การศึกษา , แผนกที่ ๒ การสื่อสาร , แผนกที่ ๓ การประปา และไฟฟ้า และแผนกที่ ๔ การช่างกล และรถไฟ (ซึ่งก่อนหน้านี้ยังไม่มีแผนกนี้)
               ๒. เมื่อ พ.ศ.๒๔๕๘ จัดตั้งกองร้อยช่างรถไฟขึ้น ๑ กองร้อย เป็นหน่วยขึ้นตรงต่อกรมทหารบกช่างที่ ๒ ตั้งอยู่ที่ จว.นครราชสีมา
               ๓. ต่อมาเมื่อ พ.ศ.๒๔๖๐ (ไทยประกาศสงครามกับเยอรมัน เมื่อวันที่ ๒๒ กรกฎาคม ๒๔๖๐) ได้มีประกาศกระทรวงกลาโหม ยกเลิกกองทหารช่างทั้งหมดแล้วจัดใหม่ เป็น กรมทหารบกช่างจำนวน ๓ กรม มีผังการจัดดังนี้.-

                              กองพลที่ ๒ (พระนคร)
                                             = กรมทหารบกช่างที่ ๑ รักษาพระองค์ (สะพานแดง บางซื่อ)
                                                     - กองพันที่ ๑ ช่างสนาม รักษาพระองค์ (กองร้อยที่ ๑ , กองร้อยที่ ๒)
                                                     - กองพันที่ ๒ ช่างเครื่องสัญญาณ (กองร้อยที่ ๓ , กองร้อยที่ ๔)

                              กองพลที่ ๓ (พระนครศรีอยุธยา)
                                             = กรมทหารบกช่างที่ ๑ รักษาพระองค์ (อยุธยา)
                                                     - กองพันที่ ๑ ช่างสนาม (กองร้อยที่ ๑ , กองร้อยที่ ๒)
                                                     - กองพันที่ ๒ ช่างสนาม (กองร้อยที่ ๓ , กองร้อยที่ ๔)

                              กองพลที่ ๕ (นครราชสีมา)
                                             = กรมทหารบกช่างที่ $ รักษาพระองค์ (นครราชสีมา)
                                                     - กองพันที่ ๑ ช่างสนาม (กองร้อยที่ ๑ , กองร้อยที่ ๒)
                                                     - กองพันที่ ๒ ช่างรถไฟ (กองร้อยที่ ๓ , กองร้อยที่ ๔)

               กองพันทหารช่างรถไฟนี้เองที่เป็นกำลังสำคัญ ในการก่อสร้างทางรถไฟสายเหนือช่วงปลาย (ระหว่าง พ.ศ.๒๔๖๐ - ๒๔๖๑ ) และการขุดเจาะอุโมงค์ขุนตาลต่อจากวิศวกรชาวเยอรมัน ซึ่งถูกจับเป็นเชลยศึก และถูกออกจากงาน เมื่อวันที่ ๒๒ กรกฎาคม พ.ศ.๒๔๖๐ อันเป็นวันประกาศสงครามระหว่างไทยกับเยอรมัน ตามที่กล่าวมาแล้ววิศวกรชาวเยอรมันที่ถูกออกจากงานในฐานะชนชาติศัตรู และถูกส่งไปกักกันไว้ที่ค่ายเชลยศึกของอังกฤษในประเทศอินเดีย มีจำนวนทั้งสิ้น ๒๗ นาย จากหน่วยต่างๆ ดังนี้ กองแบบแผน ๔ นาย , กองช่างกล ๕ นาย , กองบำรุงทาง ๔ นาย , กองก่อสร้าง ๙ นาย , กองเดินรถ ๓ นาย , กองบัญชาการกรมรถไฟหลวง ๑ นาย และกรมทางอีก ๑ นาย (ในสมัยนั้นกรมทางขึ้นกับกรมรถไฟหลวง) อันที่จริงกองทัพไทยได้วางแผนระยะยาวมาตั้งแต่ปี พ.ศ.๒๔๕๕ ตามแนวพระราชดำริของ พลตรี พระเจ้าน้องยาเธอกรมขุนกำแพงเพชรอัครโยธิน ซึ่งขณะนั้นทรงดำรงตำแหน่งที่สำคัญในกองทัพบก ถึง ๔ ตำแหน่ง คือ แม่ทัพกองทัพที่ ๑ , ผู้บัญชาการกองพลที่ ๑ รักษาพระองค์ , จเรทหารช่าง , ผู้รั้งจเรปืนใหญ่และการปืนเล็กปืนกล จัดตั้ง “ แผนกรถไฟ ” ขึ้นในกรมยุทธศาสตร์ทหารบก (ต่อมาเปลี่ยนชื่อเป็นกรมยุทธการทหารบก) แล้วจัดส่งนายทหารช่างไปฝึกหัดการเดินรถ และฝึกงานช่างกลที่โรงงานรถไฟมักกะสัน กับขอโอนทางรถไฟสายเหนือเฉพาะส่วนที่แยกจากชุมทางรถไฟบ้านดาราไปสวรรคโลก ระยะทางประมาณ ๒๘ กม. จากกรมรถไฟให้เป็นที่ฝึกหัดการเดินรถของทหารช่างโดยเฉพาะอีกด้วย เพื่อที่ว่าเวลามีราชการงาน คือ เมื่อกระทรวงกลาโหมต้องมีหน้าที่บังคับบัญชารถไฟแล้ว จะได้ทำการได้สะดวก ทหารที่เคยฝึกเดินรถไฟเมื่ออกเป็นทหารกองหนุนให้จ้างเข้าทำงานในกรมรถไฟ

                   

               การขุดเจาะอุโมงค์รถไฟสายเหนือ
               อุโมงค์ในเส้นทางรถไฟสายเหนือ ตั้งแต่เขต จว.อุตรดิตถ์ จนถึง จว.ลำพูน มีอยู่ด้วยกัน ๔ อุโมงค์ คือ
               ๑. อุโมงค์ปางตูบของ ที่ กม.๕๑๓ จว.อุตรดิตถ์ ยาว ๕๐.๒๓ เมตร
               ๒. อุโมงค์เขาพลึง ที่ กม.๕๑๖ จว.อุตรดิตถ์ ต่อเขต จว.แพร่ ยาว ๓๖๒.๔๔ เมตร
               ๓.อุโมงค์ผาคอ และห้วยแม่ลาน (๒ อุโมงค์อยู่ชิดกันมาก) ที่ กม.๕๗๕ จว.ลำปาง ยาว ๑๓๐.๒๐ เมตร อุโมงค์ห้วยแม่ลานเมื่อปี พ.ศ.๒๔๘๒ น้ำเหนือไหลบ่าเข้าไปในอุโมงค์พาเอาท่อนซุงขนาดใหญ่เข้าไปด้วยจนกลายเป็นท่อส่งไม้ซุงไประยะหนึ่ง เมื่อน้ำแห้งแล้วต้องใช้ช้างชักลากซุงออกจากอุโมงค์แห่งนี้เป็นการใหญ่
               ๔.อุโมงค์ขุนตาน ที่กม.๖๘๒ ตรงเขตต่อ จว.ลำปาง และ จว.ลำพูน มีความยาว ๑,๓๖๑.๓๐ เมตร
               การที่ต้องขุดเจาะอุโมงค์ทั้ง ๔ แห่งตามทางรถไฟสายเหนือ ตั้งแต่เขต จว.อุตรดิตถ์ ไปจนถึง จว.ลำพูน ซึ่งเป็นงานก่อสร้างที่ต้องใช้เทคนิคพิเศษยากลำบากกว่าการก่อสร้างธรรมดาก็เพื่อหลีกเลี่ยงการก่อสร้างทางรถไฟแยกจาก จว.อุตรดิตถ์ - ผ่าน จว.แพร่ และเชียงรายขึ้นไปถึงนครเชียงใหม่ซึ่งเป็นจุดปลายทางรถไฟสายเหนือ เพราะเส้นทางดังกล่าวนอกจากจะอ้อมไปเป็นระยะทางยาวแล้วที่สำคัญคือ ต้องผ่านเข้าไปในเขตสัมปทานป่าไม้ ซึ่งดำเนินการโดยบริษัทบอมเบอร์ม่า และบริษัทบอเนียวของอังกฤษ อาจได้รับการขัดขวางจากรัฐบาลของอังกฤษ ซึ่งเป็นประเทศมหาอำนาจที่มีอิทธิพล และมีผลประโยชน์โดยเฉพาะจากอุตสาหกรรมทำป่าไม้อย่างมากในประเทศไทย