1919年1月，上述帝国主义国家借口所谓“俄国自1917年后没有正式的政府”，图谋组成特别委员会监管西伯利亚铁路及中东铁路。这就使问题复杂化了，因为所谓“中东铁路”在中国境内就是关外铁路，监管中东铁路直接触及了中国的主权。软弱的北洋政府终以国际形势复杂而妥协，于1919年2月20日表态承认共同监管办法，并派驻俄公使刘镜人为中方监管委员。
詹天佑则被北洋政府任命为技术部的中国委员，他当时除了担任汉粤川铁路督办兼总工程师以外，还兼着交通部的技术监督的职务。不管从什么角度考虑，代表中国参加这样的会议更是非他莫属了。
然而，詹天佑本人却极不情愿参加这样的会议。在当时担任北洋政府交通总长的曹汝霖将这个意图告诉他的时候，詹天佑当即予以推辞，称自己不适合担负这样重要的工作。他不想与会的原因恰恰基于自己拙于外交，以及身体欠佳等缘故。早在三年前，他就曾因为武（昌）长（沙）段铁路的奔忙而积劳成疾，身体随之垮了下来。去年又感染上了阿米巴性痢疾，即民间的所谓“赤痢”，虽然花了很长时间治好，却已是元气大伤，目前詹天佑的身体可以说是一天不如一天，很难再适应东北的严寒气候。在此之前，由于长期独自支撑家务，妻子谭氏已先他患病身故，儿女们都反对他在这种情况下接受任命到海参崴去。
尽管如此，北洋政府关于詹天佑作为协约国监管西伯利亚铁路委员会技术部中国委员的正式任命还是下达了。2月21日，交通总长曹汝霖召见詹天佑，通知他尽快成行。詹天佑坚决请辞而不获批准。
詹天佑只得说服了家人，扶病前往赴会了。临行之前，詹天佑预感到将要面临的是一项艰巨的任务，自己的身体很可能最终顶不住。同时他也估计到这个会议中所要讨论的问题，和争中国的权益问题，不是短时间内就能够解决的。所以向交通部要求偕他的老部属兼好友——工程师颜德庆、俞人凤等同行，以备万一自己身体支持不住的时候，不致影响会议的进展。当然，詹天佑自己恐怕也不会想到：这一去，竟成了他为铁路、为国事的最后一次操劳了。
1919年2月27日，詹天佑乘火车经由他亲自主持修建的关内外铁路赴海参崴。海参崴，今称符拉迪沃斯托克，在俄罗斯境内，是俄罗斯太平洋沿岸最大海港和城市，西伯利亚铁路的终点。原为中国领土，19世纪后期被沙皇俄国以武力强行从清政府手中割去。协约国监管西伯利亚铁路委员会即设在这里。
詹天佑到达后，不顾旅途的疲劳，立即拜会了驻俄公使、委员会中国监管委员刘镜人，听取指示并了解一下此前这里的情况，又与技术部美国部长斯梯文斯等人进行了会晤。有趣的是，这位斯梯文斯先生以前虽然和詹天佑没有会过面，但却已知道他曾留学美国，是耶鲁大学土木工程系的高材生，多年来主持京张铁路等工程建设，硕果累累，可谓盛名在外。抛开公事不谈，詹天佑和他相处倒是颇为融洽。
1919年3月5日，协约国监管西伯利亚铁路委员会在海参崴正式开会。在会议期间，詹天佑作出种种努力，想为中国争回中东铁路的驻兵权和管理权。他代表中国再次义正词严地声明：中东铁路原是中俄合办，中国又是大战的参战国之一，而且有保持该路秩序的能力，中东铁路应由中国人管理，不需要协约国监管委员会来监督。但是，由于列强各国的反对，加之北洋军阀政府的腐败无能，面对弱肉强食的国际政治大环境，詹天佑的努力同样得不到应有的结果。最终只争得了中国工程师可以被中东铁路雇佣这一点权利。
由于海参崴自然条件太差，加之中东铁路本身就在中国境内，所以会议后期，地点改在哈尔滨举行。此时正是隆冬季节，气候非常寒冷，海参崴和哈尔滨的气温一般在零下四十至五十摄氏度左右，詹天佑本来健康状况就不好，自然更难适应这种寒冷的气候。即使后来移到哈尔滨，情况也好不了多少。除此而外，开这种会本身也是一件令人劳顿的事。在前后两个多月的时间里，詹天佑终日看资料、做方案、写发言稿。由于疲劳过度，又加上气候严寒饮食不调，他的身体消瘦得很厉害。同时又经常失眠，有时整夜不能入睡，食欲不振，身体抵抗力急剧下降，终于导致旧病复发，而且日趋严重。在实在坚持不了的情况下，詹天佑只好向刘镜人说明情况，并向交通部打报告请求回内地治疗，同时将有关事项向随同来的颜德庆、俞人凤等人作了交待，希望他们尽快地将自己的工作顶起来。
“看来这一次我是不能坚持到底了。”一脸病容，神色憔悴的詹天佑苦笑着对老部属们说，“诸位好自为之吧！”
望着詹天佑那一下子变得苍老许多的瘦削的面容，颜德庆和俞人凤的眼睛湿润了。他们自从修筑京张铁路时跟随詹总搞勘察搞设计，这么多年以来，从没有见到詹总有不能坚持的时候。现在听到如此话语，可见詹总病势之沉重。他们强忍着内心的痛苦安慰老上级：“吉人自有天相！詹总，没事的。您就放心地回去调养吧。争取早日康复，早日回来还领着我们干。”
詹天佑摇了摇头，他最清楚自己的身体，感到很累很累，需要彻底的休息。说实在的，对于还能不能回来继续参加这里的会议，他内心一点把握都没有。但为了怕影响大家的情绪，他没有深入谈自己的病情，而是将有关材料详详细细地向他们解说，并细致交待工作方式：“诸位这阶段多辛苦一点，技术业务方面盯紧，该争的一定要争。尽力而为，别让国家吃大亏。”
停了一下，他又叮嘱一句：“当然，话不妨说得策略一点，学一点外交语言。这方面多向刘大人请示。人家是外交家，许多事情比咱们懂得多。”
1919年4月15日，詹天佑在接到交通部批准他回内地治病的通知后，即告别了朝夕相处的部属和朋友，告别了刘镜人公使，当然，他也没有忘记去和出席会议的各国同事以及斯梯文斯等人道别，在众人的善意祝福声中登上了南下的列车。20日，詹天佑乘车回到了汉口。
在此之前，汉粤川铁路总公所及湘鄂铁路局都已得到了詹天佑在哈尔滨开会期间患病即将南返的消息。当詹天佑乘坐的列车进站后，除了在汉口的次子文琮以外，汉粤川铁路会办周炳蔚和詹天佑的老友吴希曾等数十名同人也来迎接他，大家纷纷提出派人照顾他的身体，但都被詹天佑谢绝了。
詹天佑刚一回家就联系附近的仁济医院，他知道自己这一次患病非同寻常，必须尽早住院治疗。仁济医院是一家教会慈善医院，在汉口还颇有名气，当晚詹天佑就住进了仁济医院的高级病房。
一年前折磨过詹天佑的阿米巴性痢疾，这一次又发作了。这种病的最大特征就是要命的拉稀，并且夹带脓血，所以又称“赤痢”。这种病今天听起来不足为奇，起码不像癌症那样令人恐惧。因为医学界早就有了根治的办法，而且事实上在许多地方已经绝了迹，但在詹天佑生活的年代，这却是非常棘手的病症，很难有效地治疗，死亡率特别高。詹天佑一年以前患上这种病，经过医院多方组织力量，运用当时所能运用的最为先进的医疗手段进行救治，最终起死回生，原是极其偶然的事。这一次，海参崴和哈尔滨的恶劣气候，加上繁重的工作，极大地损害了詹天佑的健康，削弱了他原本勉强的身体抵抗力。可恶的“赤痢”再度肆虐，而这类复发症状自然加倍棘手，使得许多良医对此束手无策。詹天佑目前正是这种状况。尽管仁济医院从院长到普通医护人员都对身为汉粤川铁路督办的詹天佑尽心尽力，但始终难见好转，詹天佑的恶性下泻一直未能得以缓解，这也是他的状况一天不如一天的重要原因。
詹天佑的病情引起了多方的关注。汉粤川铁路总公所及湘鄂铁路局乃至北京交通部同人为此到处奔波，仁济医院也联系聘请了许多名医来会诊，但终因病势严重，医生回天乏术，只能眼睁睁看着一代著名的铁路工程师的身体日渐衰竭。
3日晚，詹天佑的病势加剧，语不成声，要用手在被子上写字示意。当时在旁陪伴他的为二儿子文琮，以及他忠实的老友吴希曾。直到此时，詹天佑方对自己抵御这场疾病的能力失去了信心，詹天佑拿起笔来，蘸了墨，刚写一个字，手颤抖得厉害，墨汁滴在纸上。他只好放下笔，对儿子说：“文琮，你把笔，我说什么，你记什么。”
就这样，詹天佑费力地口述了他临终前还关心的几件事，作为他的遗嘱，上书北洋政府总统徐世昌。遗嘱中说：
一、中华工程师学会，被举谬充会长，窃谓工程学会影响于中华实业至要且宏，兴国阜民，悉基于此。将来仍恳钧座不弃菲葑，眷怀葵藿，俾有以振奋而发扬之。
二、管理俄路一役代表之职，亟宜慎选通才。其甑用技术人员，尤应精求上驷，并设法优加鼓励，以其与协约国各员骖靳而镳扬，庶足外扬国光，内吐口实。其详细理由，天佑已呈之交通部，钧座倘采及刍荛，实于东事裨益匪细。
三、汉粤川路事，往年曾有就款计工之条陈，盖来款既艰，不得不先筹脚踏实地之策，所幸武昌长沙一路，业已通道开车，得寸进尺，惟力是视。第衡郴以上，限于款涸，猝难企图，近者银行团之英法美三国，要求取消德人权利，允再接济工需，正宜趁此机会，速定计划，以促进行。否则中道而止，坐视大利之抛荒，绾毂中枢，终成隔绝，商政国计，均非所宜，尚冀钧座加意垂注。
天佑毕生致力于工学，仅就本职范围而言。以上三端，钧座倘赐之采纳，得尽天佑未了之血忱，则天佑虽死之日，犹生之年。
口授完遗书，詹天佑已是精疲力竭，随即昏迷不醒。吴希曾强抑悲痛，将遗书转呈北京政府。
24日晨，詹天佑的病势加剧，哮喘汗流，气息微弱。文耀、蕙颜以及邝孙谋等亲属朋友陆续赶到。医生也全力以赴地进行了诊治，终因病情恶化，抢救无效。24日下午三时半，中国近代最杰出的铁路工程师詹天佑在汉口与世长辞，享年仅五十八周岁。
詹天佑逝世的不幸消息，震动了社会各界乃至国际舆论。美国驻华特命全权公使芮恩施专门发来唁电，其中这样称道：
吾人对于詹博士的噩耗感到无比惊愕。詹博士对建设中国铁路卓越的贡献和高超的人格，全体美国人都给予最高的敬仰。
协约国监管西伯利亚铁路委员会技术部部长斯梯文斯得知詹天佑因病逝世的消息后心情也很沉重。他们之间地位不同，所负的使命也不同，追求的利益更不同，在两个多月的会议中，有过不少分歧甚至争执，但斯梯文斯对于詹天佑的学识才干一直是很钦佩的。他在致北京政府和詹天佑家属的唁电中也说：
本人与詹博士见面前，久仰其名。在协约国监管委员会短暂共事期间，他对事件的敏捷分析及周详考虑，给予本人以极深的印象。他虽然沉默坚毅，却是果断的。我们都非常尊重他的意见。大家都看到，他对铁路工程有高深的造诣，他的判断是非常有说服力的。尤其重要的是，他是一位君子，与他共事，深感愉快。他的去世，是吾等同人的损失，更是中国的一大损失。
中华工程师学会、汉粤川铁路总公所及湘鄂铁路局同人以及詹天佑的留美同学，都以不同的方式表达了震惊和哀悼之意。
24日下午，詹天佑的遗体自仁济医院运回詹宅入殓。
出殡前一天，武汉各界举行公祭，为祖国失掉一位优秀的科学家，为19世纪20世纪之交的中国科技巨星陨落而惋惜。
正式出殡定在5月14日。这一天清晨，乌云密布，天幕低垂。自詹宅到汉阳的广东山庄路上，白幡招展，哀乐呜咽。在詹天佑子女等人的护送下，詹天佑的灵柩缓缓地被移出了宅门。武汉各界都派代表参加送丧的行列，吴希曾、邝孙谋等朋友和同窗亲为执绋。当天下午，灵柩暂厝于广东山庄，等适当时候运往北京正式安葬。这也是遵照詹天佑的遗愿，他死在汉粤川铁路建设的岗位上，而最终愿望却是长眠在北京。那里紧靠他洒过辛勤汗水创建事业辉煌的京张铁路，还有中途被迫搁置的京绥铁路，他要永久地守在那里。两年后，也就是1921年，文耀、文琮等人将他们父亲的灵柩护送到北京，葬于北京西郊海淀南小南庄村（又称万泉庄，在今中国人民大学附近），实现了詹天佑的最终心愿。从此，这一伟大的铁路工程师，即长眠于此了。
詹天佑是我国最早的、杰出的铁道工程师，被誉为“中国铁路之父”。他为祖国铁路事业贡献了毕生的精力。凡经他筹划的铁路，如沪嘉、洛潼、津卢、锦州、萍醴、西陵、潮汕、粤汉、京张等线，无不成绩灿然。其中京张铁路工程，不仅被当时欧美工程师视为奇迹，就是在现在也还是世界上有名的铁路工程之一。因此，他逝世以后，人们为了纪念他，特在京张铁路青龙桥车站设置了詹天佑铜像。铜像的面貌是那么严肃、沉静，充分表现出他刚毅和自信的个性。詹天佑在我国铁路史上写上了光辉的一页。他是中国人民的光荣和骄傲，也是中国一切爱国科学家的光荣和骄傲！
詹天佑墓地
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