在投身立憲運動之時，湯壽潛把更多的時間、精力用在了鐵路上面。“夙以時務致稱，晚以鐵路見賢”，這是張謇為他作傳時的概括，他在晚清之所以贏得很高的聲望，就是因為全身心地投入保衛路權、興建鐵路的實踐中，並取得顯著成效。早在1898年，英國銀公司與清政府就有《蘇杭甬鐵路草約》，此後便一直沒有動靜，連勘測都沒有做過。20世紀初，江浙民間要求收回路權的呼聲很高。1903年，在晚清新政改革中，新生的商部准許各地設立路礦公司，1905年春天，正好有美商到上海活動，試圖得到浙贛鐵路的修建權。年近半百、素懷實業興邦之志的湯壽潛就在這時站了出來，當年7月，他和張元濟、夏曾佑等浙江籍名流在上海發起“浙江全省鐵路公司”，他被推為總理，決議向全省人民集資辦鐵路，獲清廷批准，授予他四品卿銜，總理全浙鐵路事宜，責成盛宣懷與英國銀公司交涉收回蘇杭甬路權。
從1906年到1909年，浙江境內修成鐵路328.2華里，沿路築橋144座，平均每里鐵路的造價只有13400銀元（不計建橋及車輛），當時浙江旅滬學會評價“中國商辦鐵路，其成效以我浙為最速，其經費以我浙為最省”。這與湯壽潛芒鞋徒步、風塵僕僕、不計勞苦奔走於杭、滬之間，而且不受薪金、不支公費的作風是分不開的。期間，他還創辦了浙江高等工業學堂（鐵路學堂），為管理大筆集資款，還於1907創立了最早的商業銀行之一浙江興業銀行。然而當鐵路開工之後，英國銀公司不肯廢約，通過駐華使館向清廷施加壓力，要求向英方借款，實際上就是將鐵路抵押給他們。消息傳來，浙江鐵路公司於1907年10月發起“浙江國民拒款會”，湯壽潛多次致電軍機處抗爭，路潮洶湧，清廷一度想動用武力，軍隊都已集結。為了把他支走，1909年，清廷先後幾次任命他為雲南按察使、江西提學使，每一次他都再三辭謝，堅持留下修路，到1910年8月他還致電軍機處反對盛宣懷為郵傳部侍郎。清廷指責他“狂悖已極”，將他革職，不准干預路事。結果引起一場軒然大波，浙江各界、浙江旅居外地的同鄉紛紛請願、集會、抗議，電文雪片般飛向北京，甚至有一個工程師、一個工頭以身殉路。一時輿論洶洶，上海《天鐸報》《申報》《文匯報》《民呼日報》及各英文報紙紛紛發表評論，連篇累牘地刊載有關報導，浙江咨議局乃至浙江巡撫都出面請求朝廷收回成命。8月25日，當清廷下令嚴禁上海、浙江、江蘇各地為湯壽潛革職而集會，他在兩天後只身前往山東，登泰山、謁孔林，放鬆身心。而杭州商務總會於8月28日、9月5日兩次舉行集會，9月9日旅滬同鄉幾千人乘專列到杭州，冒雨前往巡撫衙門請願，秩序井然。至10月1日杭州還在舉行集會聲援。湯壽潛為了爭路權彈劾大臣，頂撞朝廷，不惜冒殺頭危險，因此而成為維護主權、艱苦創業的代名詞。
在一波又一波捍衛路權的聲浪中，混合著要求速行立憲、召開國會的呼喊。1908年頒布的《結社集會律》，畢竟在法律上確立了老百姓結社集會的權利。