Das Projekt Transsibirische Eisenbahn wurde in mehrere verschiedene Bauetappen gegliedert. Die einzelnen Abschnitte wurden weitestgehend zentral koordiniert und gleichzeitig gebaut, die Namen der Bauetappen gaben den verschiedenen Eisenbahnverwaltungen ihre jeweiligen Namen, die auch heute noch existieren. Darauf ist also die Unterscheidung in Ussuri-, Amur-, Transbaikal-, Baikal-, Mittelsibirische- und Westsibirische-Bahn zurückzuführen.
Die Bauetappe „Westsibirienstrecke“ begann am 19. Juni des Jahres 1892 in Tsheljabinsk. Die Strecke führt von Tsheljabinsk über Kurgan, Petropawlowsk, Omsk und Kansk bis zur Station Ob. Die Siedlung, die man dort mit dem Beginn der Bauarbeiten gründete, wuchst rasch und ist die heutige Hauptstadt Sibiriens und Millionenstadt Nowosibirsk. Auf Grund der Vielzahl von Flüssen, die sich in Westsibirien befinden, gab es insbesondere in den Frühjahren während der Bauzeit große Probleme mit dem Hochwasser, das diese Flüsse (beispielsweise der Irtysch oder der Ob) zu dieser Zeit führen. Beim Baubeginn stand noch nicht fest, wo genau der Ob überquert werden sollte, daher suchte man parallel zum Beginn der Arbeiten nach einer passenden Stelle, um den gewaltigen Fluss zu überqueren.
Die Stahlbrücke mit ihren Pfeilern aus Stein steht noch heute, der Rest der Strecke stellte bei den Bauarbeiten abgesehen von den durch das Hochwasser hervorgerufenen Komplikationen keine besondere Herausforderung dar. Das Hauptproblem bestand darin, alle benötigten Materialien aus dem Westen Russlands nach Sibirien zu transportieren. Die Fertigstellung in Inbetriebnahme dieser Bauetappe erfolgte schon im Oktober des Jahres 1896, insgesamt umfasst das Schienennetz dieses Abschnittes 1415 Kilometer. Die Höchstgeschwindigkeit auf dieser sehr flachen Strecke beträgt lediglich 34 Kilometer pro Stunde.
Von Nowosibirsk aus führt die Transsibirische Eisenbahn über den Ort Krasnojarsk hin zu Irkutsk, das am Baikalsee liegt. Diese Strecke wird die Mittelsibirienstrecke genannt, die dazugehörige Bauetappe dauerte von 1893 bis 1899. Die teils sehr bergige Gegend machte den Bau von mehr als 800 Brücken in diesem Bereich erforderlich, 21 davon bestanden sogar aus Eisen. In diesem Bauabschnitt befindet sich auch die schönste Brücke der Transsib, sie führt über den Jenissej und beginnt in der Nähe von Krasnojarsk. Die künstlerisch anmutende Konstruktion der Brücke wurde bei der Weltausstellung in Paris sogar mit einer Goldmedaille ausgezeichnet. In diesem Bauabschnitt gab es jedoch aus heutiger Sicht auch viele bedauernswerte Vorkommnisse. Die umfangreichen Rodungen, die im Bereich der Taiga erforderlich waren, wurden hauptsächlich von Sträflingen durchgeführt, die hier oft bis zur Erschöpfung oder sogar bis zum Tod arbeiten mussten. Dieser Bauabschnitt wurde aus zwei Richtungen gleichzeitig gestartet, in Krasnojarsk liefen die beiden Strecken zusammen.
Die Bauetappe „Baikalstrecke“ war besonders anspruchsvoll und kostspielig, da bei dieser die felsige Gegend rund um den Baikalsee stark bearbeitet werden musste. Es wurden unzählige Sprengungen vorgenommen, um überhaupt eine befahrbare Bahnstrecke in diesem Bereich schaffen zu können. Heute gilt dieser Abschnitt als der landschaftlich reizvollste während der gesamten Fahrt von Moskau nach Nowosibirsk. Eine alternative Planung in der Frühzeit der Transsibirischen Eisenbahn sah den Transport über den Baikalsee durch Fähren vor, weil diese wesentlich kostengünstiger waren. Letzten Endes wurde dieser umstrittene Abschnitt aber doch gebaut, zur Freude der Touristen, denen sich die wundervollen Ausblicke während einer Fahrt rund um den Baikalsee heute sonst nicht bieten würden.
Die Bauetappe „Transbaikalstrecke“ war ebenso wie die Baikalstrecke sehr anspruchsvoll. Ursprünglich lautete der Plan, die Strecke vom östlichen Ufer des Baikalsees bis nach Sretensk zu bauen, dort sollte man auf Schiffe umsteigen, die in einem Stück den Amur hinauf bis nach Chabarovsk fuhren. Begonnen wurde der Bau im Jahre 1895, eine durchgehende Verbindung ohne Fährschiffe entstand erst durch die Eröffnung der Amur-Bahn. Die technischen Schwierigkeiten beim Bau dieses Streckenabschnittes entstanden hauptsächlich durch die Notwendigkeit von komplizierten Sprengarbeiten, sehr kurvige Bereiche und besonders Überschwemmungen und Erdrutsche während dem Bau. Die in der dünn besiedelten Gegend nur spärlich zur Verfügung stehenden Arbeitskräfte wurden durch den Einsatz von Strafgefangenen und chinesischen Arbeitern aufgestockt. Die Fertigstellung dieser Bauetappe erfolgt im Jahr 1900.
Die „Amurstrecke“ schließlich verbindet Chabarovsk mit Transbaikalien. Auch hier waren die Bauarbeiten sehr kompliziert, hauptsächlich durch die vielen Flüsse in dem Gebiet und den Dauerfrostboden dort. Zur Erleichterung der Arbeiten wurde die ursprüngliche Streckenführung so geändert, dass die Etappe durch die Mandschurei führte, dadurch wurden viele technische Probleme umgangen und man sparte etwa 700 Kilometer Schienenstrecke ein, dafür musste man jedoch einen Verlauf der Strecke durch chinesisches Gebiet in Kauf nehmen. Dies führte später im Krieg gegen Japan für die Sorge, dass im Falle einer Einnahme der Mandschurei durch Japan die östlichen Gebiete Russlands vom Westen abgeschnitten werden könnten, daher begann man 1908 erneut damit, die Streckenführung zu verändern und konnte das ganze Projekt dann schließlich im Jahre 1916 mit der Fertigstellung der Brücke über den Amur bei Chabarovsk vollenden.