川藏铁路工程需要面对崇山峻岭、地形高差、地震频发、复杂地质、季节冻土、山地灾害、高原缺氧以及生态环保等建设难题。 川藏铁路集合了山岭重丘、高原高寒、风沙荒漠、雷雨雪霜等多种极端地理环境和气候特征，跨14条大江大河、21座4000米以上的雪山，被称为“最难建的铁路”、“史诗级”超级工程。

山川河谷
       川藏铁路横跨中国第一阶梯与第二阶梯，起于四川盆地成都平原，东西横穿横断山脉至青藏高原拉萨平原，沿途山脉、河流众多。其中，成都至雅安以及林芝至拉萨段地形相对平坦；雅安至林芝段山重水复，为无数纵横交错的峡谷、河谷所组成的巨大山原。
       由于川藏铁路采用“台阶式”路线直攀高原，故其建设难度远比采用“缓坡式”路线间接上山的青藏铁路要大；仅拉林段全线就有16次跨越雅鲁藏布江，共有10千米以上的特长隧道6座、15千米以上的长大隧道15座。

地形落差
       川藏铁路沿途地形落差极大，全路段最高海拔4400米，全线海拔落差3000多米，桥隧工程占比达81%；从成都到拉萨，线路八起八伏，累计爬升高度达1.4万米。 雅安至然乌段在山原面的高程，从西北部的4000多米下降到东南部的3000多米；山原面以下，从北到南，河流逐渐深切形成连续不断的峡谷，岭谷间的高差可达3000米。泸定至康定段，直线距离只有50千米，海拔高差达到2000多米，相当于每千米高差达50米，超出铁路承受范围。安拉隧道的进口海拔3300米，顶线海拔4300米。  雅安至林芝段路高程起伏在1000米以上高差段落达11个。
       为解决地形高差问题，建设单位采用展线方案，通过迂回曲折的路线（如Z型路线）消除过高坡度；利用超高桥梁衔接盘升上来的铁路；使用双机牵引加强列车动力实现爬升，但同时还需严格控制列车的刹车状态。

板块活动
       川藏铁路穿过甘孜炉霍地震带、雅鲁藏布江地震带，地震设防烈度均在8级以上，地质构造运动活跃、地震频繁、烈度高、地应力高、断层蠕滑变形强烈；仅拉萨至林芝段穿过的断裂带就多达18条，历史记载以来的7级以上地震达8次，5至7级地震多达15次；需面对深大断裂破碎带。

复杂地质
      川藏铁路沿途地质复杂，不良地质极度发育。在极端地质作用和风化作用下，川藏铁路沿线的山地灾害频繁，山崩、滑坡、泥石流、落塌方、落石以及突泥等地质灾害频发；其中，岩爆、涌水和突泥是是铁路施工期间的三大棘手难题。

高原高寒
       川藏铁路大部分路段位于海拔3000米以上的高原山地，最高处要通过海拔5100米的东达山垭口；稀薄空气可导致头痛、失眠、呼吸困难等高原反应；低温以及强紫外线均给施工人员带来严峻考验。  川藏铁路途经区域温差巨大：夏季气温可达40℃、冬季气温可达零下20℃；昼夜温差可达35℃；隧道洞内热泉可达92℃。高寒环境带来的主要天然隐患是季节性变化的冻土和积雪；冰害能以阻塞冻胀或融化冲击等作用破坏建筑物，通常结合昼夜温差、雨水、地震、强风等形成冰川泥石流、山洪或雪崩等自然灾害。

风沙气候
       川藏铁路途经雅鲁藏布江沿岸两侧，沿线地形受风的影响显著，在大风季节里会在路基迎风和背风两侧重新堆积形成沙埋以及风蚀现象，产生路基病害。此外，受气候因素和植被环境控制，川藏铁路很多地区沙漠化严重，全线分布20处风沙地段； 建设方拟在高海拔、大温差、常负温、强辐射、高寒旱等极端恶劣环境条件下将拉萨至林芝段建成一条兼顾生态适宜性与文化适宜性的雪域高原绿色通道，不过拉林段每年适宜施工的时间只有5至6个月。

生态环保
       川藏铁路沿途经过大量国家级或省级自然保护区、风景名胜区、森林公园、地质公园、水源保护区和文物古迹等；沿线地形多半陡峭险峻，水土流失以及土地荒漠化较为严重，生态脆弱、环境敏感。