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第一次，1955年至1961年。
1955年10月，当时的西北设计分局（现铁道部第一勘测设计院的前身）派遣曹汝桢等4位同志随西藏军区后勤部副部长慕生忠将军一同进藏，就修建进藏铁路的可行性展开沿线调查和收集资料工作（下称“踏勘”），前后历时近3个月。
1956年，西北设计分局正式更名为铁道部第一勘测设计院，并承担了进藏铁路的前期规划工作。从1956年开始，铁道第一勘察设计院对当时从兰州到拉萨的进藏铁路全线进行了踏勘，于1957年完成踏勘报告并上报铁道部。其中第一步即兰青线（兰州至西宁）于1959年便已建成通车；同时，第二步即西格段（西宁至格尔木）从1956年踏勘开始，经过24年的停停建建，也于1979年全线铺通，1984年正式交付运营，这也是世界上惟一一条建在盐湖上的铁路。
1958年，铁道第一勘察设计院开始对最后一段即格尔木至拉萨段展开初步测量（初测），1960年即完成了初步设计、部分定测及部分的施工设计，但当年因故停止。
第二次，1974年至1978年。
1974年，国家再次将修筑进藏铁路提上了议事日程。遵照上级指示，铁道部第一勘察设计院在该年三季度踏勘，四季度开展航空测量和方案研究工作。1976年元月完成了《青藏铁路格尔木至拉萨段方案研究报告》。同年年底，完成线路系统初步设计报铁道部审批，l977年5月，国家计委组织审批通过，铁道部正式下达批复意见。1977年6月，铁道部第一勘察设计院全面展开定测工作，至1978年7月已将定测桩打到了那曲，距拉萨已不足400公里！但不久后即停止，8月12日，第二次勘测工作宣告全面停止。
第三次，1996年至2000年。
1996年，铁道部第一勘察设计院再次进行了青藏铁路的踏勘，提出了青藏线、甘藏线两条进藏铁路方案规划研究报告。1998年，铁道部第一勘察设计院又进行了青藏线预可行性研究，对青藏线工程技术和运营管理难点有针对性地开展专题研究。1999年底前完成了研究工作。
第四次，2000年至今。
2000年，铁道部第一勘察设计院超前安排了青藏线的初测工作。从2000年3月28日航测地控工作开始，到10月底钻探工作结束，铁道部第一勘察设计院集结了各分院、各单位的700多名工程技术人员，在从格尔木到拉萨的1000余公里范围内展开了会战。2001年3月1日开始，铁道部第一勘察设计院再次全面展开青藏铁路的勘测设计工作。高峰时有1100到1700余人的勘测设计队伍同时奋战在这块世界最高的大陆上。
与上世纪八十年代建成通车的青藏铁路一期工程西宁至格尔木铁路相比，青藏二期工程是在新世纪开始建设的重大工程。它不仅海拨高、线路长，而且经过连续多年冻土地带。这不仅给施工建设带来了难题，也给勘测设计提出了新的挑战。
据青藏铁路总设计师李金城介绍，在勘测中，他们动用了先进的全站式测量仪、控制网、地质雷达等仪器，全线勘测设计全部采用数字化系统进行数据处理。全院打破专业界限，在实现联网工作的基础上，推行所有资料共享，提高了工作效率，加快了工作进度。实现勘测设计一体化，勘测数字化。
青藏铁路选线开始时有好几种方案，但哪一种方案最佳？必进行科学论证。从2000年3月开始，铁道部第一勘察设计动用800名科研人员，利用航空测量和遥感技术对全线横向宽度一公里范围内的地质构造进行了认真的研究、分析，并多种线路方案组织人力逐一进行现场踏勘，然后对所有线路方案进行经济技术比较分析。青藏铁路如何穿越唐古拉山，当时有人建议与青藏公路平行。为了确定科学合理的线路，铁道部第一勘察设计院在唐古拉山越岭地段的无人区反复勘察，克服重重困难，终于找出了一条最高海拔5072米、比青藏公路最高海拔低159米且地质条件相对较好的线路，使原方案得到了优化，并节约计划投资数亿元。最后形成了现在的线路走势布局，即全长1142公里（含32公里既有线路），经过昆仑山、五道梁、风火山、沱沱河、唐古拉山、那曲、当雄的现状图。
一流的工程需要一流的设计；一流的设计首先需要一流的理念。青藏高原特殊的地理条件和强烈的世界关注程度，决定青藏铁路建设必须走一条科技含量较高、内涵式、集约化的发展之路，它必须以对环境的最小影响和对资源的最小使用，达到建设世界一流的高原生态型铁路的建设道路。铁道部第一勘察设计院副院长李宁介绍说，首先，他们提出一流的设计目标，即努力使青藏铁路运营速度世界领先，线路病害率最低，使青藏铁路成为优质、高效、代表高原铁路先进生产力发展方向的现代化铁路。在线路选线上，贯彻环保理念，从基础工作落实环保思想。在线路选线上，对沿线10个自然保护区进行了绕避，铁路尽量靠近青藏公路，尽量减少对环境的影响。在全线工点设置上，充分注意环境保护与防止水土流失，在沿河沟、靠近山坡的地方多采用顺河架桥方案，以保护环境。对冻土斜坡湿地、沼泽化湿地、唐古拉山以南非冻土地带的草地，采取以桥代路方案，减少对植被的破坏。在工程设计中，充分考虑到野生动物跨越铁路的需要，预留了大量动物通道。
泥土、砂石是铁路路基的基本原材料，为最大限度地减少取土、弃土场地对青藏高原环境的破坏，设计中，铁道部第一勘察设计院人员在1：2万的地形图上，对全线取土、弃土、砂石料场地进行了统一规划，固定地方、固定了取土方数量，以减少占地面积，减少对生态环境和水土环境系统的破坏。
在青藏高原上建设青藏铁路，面临许多世界铁路建设史上从未遇到过的难题，从多年冻土到环境保护，从高原病的防治到工程质量的监控，这是一个认识不断深化、措施不断完善的科学历程。
关于在冻土上修建铁路，虽然俄国、秘鲁、加拿大等国都有过实践，但他们的冻土条件和环境与青藏高原上冻土的情况有很大的不同，因此，他们的经验只能做为参考。我国冻土的科学研究，积累了丰富的实验数据和成果，但许多科学成果并没有经过实际工程的检验，这就对设计人员提出了很高的要求，一方面他们要尊重已有的科学成果，另一方面又要严格讲究实事求是，从实际出发，进行工程设计。
国家有关部门组织科研人员出国考察，走遍了世界有过冻土铁路实践的欧美国家，包括北欧的芬兰、挪威等。在设计开始前，多次召开专家研讨会，结合我国冻土科学实验的情况，对每一个重大设计原则都进行严格的专家论证。
铁道部第一勘察设计院请俄罗斯专家来院进行冻土工程的讲解，并组织设计人员进行大量的现场调研，对青藏铁路沿线的地质、地形进行拉网式调查，摸清了相关地理情况。在此基础上，他们又联合国内科研单位和大中专院校，包括中科院寒区旱区冻土研究所、动植物所，铁科院西北冻土研究所，北方交大，西南交大，兰州、长沙、石家庄铁道学院等，可以说集中了国内有关冻土研究的一流专家，集中了大家的智慧，共同设计青藏铁路。在设计过程中，世界处理冻土的所有技术都用上了，这还远远不够，结合青藏高原冻土的实际情况，又创造了综合处理方法。
工程的质量要由设计的质量来保证。在站前设计中，他们本着尊重科学、实事求是的精神，充分吸收世界先进成果，对每一种重大工程都进行试验，站前工程设立了四个试验段。
设计成图后，再和施工单位、监理单位合作进行现场设计优化，不符合实际情况的马上进行修改，以保证设计质量，创造性地建设青藏铁路。凡对冻土路基工程把握不大的地段采取以桥代路的工程措施；凡高含冰量地段不考虑温度分区一律采取补强措施。
李金城说，在站后设计中，以信息化、机械化为依托，采用高可靠、少维修的设备，减少用工数量、降低劳动强度、减少维修工作量；坚持以人为本，健全运营期生活、医疗保障体系；尽量使用洁净能源，减少三废排放，保护好高原生态环境。采用世界上最先进的�