1951年春，政务院试编新中国第一个五年计划时提出修建地下铁道。1953年“一五”计划实施，北京市成立市委规划领导小组，编制城市建设总体规划，明确提出：“为了提供城市居民以最便利、最经济的交通工具，特别是为了适应国防的需要，必须及早筹划地下铁道的建设。”
1954年，中共北京市委向国家建委提出：“从长远的国防要求来看，特别是从原子战争时代的国防要求来看，首都应考虑地下铁道的建设问题。”中国政府与苏联政府联系，希望派遣地铁专家到中国帮助规划地铁。4月20日，苏联有关方面表示暂不考虑，理由有三：“一、地铁是为了解决地面交通拥堵，而北京目前还在大力发展地面交通。二、地铁投资巨大，目前中国恐怕不会以巨资建设地铁。三、如果只是地铁规划，与城市规划无关，苏联也是先有城市后建地铁的。”
国家建委认为，从长远来看，北京需要建设地铁，此意见得到周恩来和中央的认可。周恩来说：“北京修建地铁，完全是为了备战。如果为了交通，只要买200辆公共汽车就能解决。”据此，国家建委特别请教苏联专家组组长谢尔巴可夫等专家，他们一致认为：如果北京市人口将来发展到500万，在城市交通和国防上有此需要，故需要考虑修建地铁。地铁从开始搜集资料到设计完成需要四五年，是长期的准备工作。1954年9月，中共北京市委提出“应及早着手搜集设计地下铁道所必需的资料”。11月30日，市委在关于改建和扩建北京市的规划草案向中央的报告中提出：“对于地下铁道的建设问题，亦请中央考虑可否指定专门机构并聘请苏联专家，着手勘测和研究。”
1956年1月，国务院副总理李富春在莫斯科访问时向苏共中央提出：在中国“二五”计划援助方案中，请求苏联政府1956年第一季度内派遣一个地铁专家小组到中国，希望这个小组包括若干名深部地质勘测专家和地铁选线专家。
1956年1月，根据中共北京市委指示，北京市都市规划委员会（1955年2月成立）增设由5人组成的地下铁道小组，以苏联城市规划专家组组长勃得列夫为业务指导。4月，北京市都市规划委员会提出《北京市近期及远期地下铁道路网规划草案》。同年，铁道部副部长于光生率陈志坚、史晓昭、茅以新、韩曰翰等组成赴苏考察团，考察莫斯科、列宁格勒、基辅等城市地铁，以及包括二战时期苏军指挥部在内的战备工程等。
北京地下铁道开工典礼现场
7月18日，中国驻苏联大使馆电告，苏联政府同意向中国派遣地铁专家小组，8月底或9月初到达北京。20日，中共北京市委考虑地铁建设工程复杂，牵涉问题多，建议由铁道部或中央有关部门主持，北京市协助进行。8月18日，北京市委再向中央报告：“如果中央尚未决定以哪个部门为主来负责筹备，可由北京市暂先负责筹备。为此，必须抽调一些干部和技术力量。由于北京市没有这一方面的技术力量，無法抽调，请中央责成有关部门解决这个问题。”9月3日，中央书记处书记邓小平批示：“关于北京地下铁道的筹建问题，同意暂由北京市委负责。筹建所需行政、技术干部，北京市无法解决者，可分别由铁道部、地质部、城市建设部等有关单位抽调支援。”
9月，为迎接中共八大召开，北京市都市规划委员会举办北京城市规划工作汇报展览，刘少奇、朱德、邓小平、李富春等中央领导人，以及中央各部委负责人与八大代表300余人应邀参观。经过3年摸索，上下终于达成共识，北京地铁筹备、规划和设计工作相继展开。
10月24日，国家建委召集铁道部副部长武竞天、地质部副部长宋应与北京市委书记处书记郑天翔，以及北京市建筑工程局副局长等开会。会议商定由北京市委统一领导，北京市委、铁道部、地质部抽调干部，组成北京市地铁筹建处，主任刘德义，副主任徐骏（北京铁路管理局总工程师）、张更生（地质部水文局副局长），下设地质、线路、结构工作室。筹建处主要是编制北京地铁规划设计意见书，培养干部，积累技术资料。筹建任务按业务范围分包，北京市负责对地铁线路的要求，以及日常行政和城市规划;铁道部负责地铁线路、结构;地质部负责地质勘探。
1956年10月初，国务院聘请的苏联地铁专家组5人来到北京。组长是莫斯科地铁设计院副院长兼总工程师巴雷什尼科夫，组员也都参加过1931年莫斯科地铁建设。他们在北京工作半年，带来了莫斯科地铁的技术资料和实践经验，为中国技术人员作过多次扫盲性质的地铁技术讲座。
1957年，地铁筹建处在苏联专家帮助下，编制出北京地铁远景规划，规划由1条环线和6条直线组成，全长172公里，114个车站。一线途经中央机关多、交通量集中，缺点是不能连通西北郊。二线连通西北郊，但颐和园一带客流少，地质条件差，施工条件复杂。从战备角度考虑，苏联专家倾向先建二线，中共北京市委据此向中央报告。因为二线穿过北京大学校园，遭到反对。后来修建的北京地铁4号线仍然避开了北大校园。
1956年地质部水文局901大队的勘探表明，北京西部地下黏土层在40米以下，东部则在120米以下。地铁应修建在不透水的黏土层中，苏联专家主张学习苏联地铁，全线深埋地下40米。但很快他们就改了口，提出红庙至五棵松的地铁线路全程按二级防护标准浅埋，遭到总参谋部的坚决反对。修建北京地铁主要是为战备，怎么能浅埋呢？
1958年，中共中央指示要加快修建北京地铁。3月，经中央批准，北京地铁考察团由地质、线路、结构、人防专业的8人和2名翻译组成，地铁筹建处主任刘德义为团长。考察团于5月20日从北京出发，27日到达莫斯科。他们考察了莫斯科、列宁格勒、基辅的地铁的设计、施工、运营等情况，请求苏方帮助审议路网规划和合理的埋设深度。苏联专家对于北京地铁的路网规划没有意见，但一致推荐浅埋方案。在北京地铁一期工程开工典礼举行时，北京市市长彭真说：“莫斯科、列宁格勒的地铁都是深埋，苏联专家却异口同声主张北京地铁浅埋，因而对其用心深表怀疑。”尽管地铁深埋技术复杂，投资巨大，但在“战备为主，兼顾交通”的总原则下，中共中央决定北京地铁全线深埋。
1958年7月，铁道部第三设计院（天津）组建地铁设计处。8月18日，铁道部组建北京地铁工程局，由北京市和铁道部共同领导，同时撤销北京市地铁筹建处。10月29日，北京地铁工程局分别向中共北京市委、铁道部报告关于北京地铁一期工程线路埋设方案和存在的主要问题。30日，中共北京市委常委会专题讨论，决定迅速筹建地铁，全部采用深埋，争取尽快开工。
1959年5月，国防部批复北京地铁埋设深度，提出最浅不应小于70～80米，按一級防护施工。7月初，北京地铁设计处进行第四次深埋设计。地铁工程局经铁道部批准进行竖井工程试验。9月，木樨地竖井以孔柱帷幕法开工，直径6米，井深100米，计划1960年9月建成，造价752471元。1959年10月，公主坟竖井以沉井法开工，直径6米，井深120米，并修建了10米的横向隧道，造价582220元。
北京地铁工程局科研所所长施仲衡深入调研北京的水文地质条件后，判定深埋造价高，技术难度大，坚决不同意北京地铁深埋方案。施仲衡是新中国第一位地铁专业的留苏研究生。1958年他作为专业翻译，陪同地铁考察团考察苏联地铁，了解了苏联地铁从规划、设计、施工到运营的全过程。1959年8月，他获得莫斯科铁道学院副博士学位，携带上千页手绘的地铁资料回国。同意苏联专家的浅埋方案，会不会被扣上“右倾分子”的帽子呢？施仲衡想起了1957年毛泽东访苏时对留学生说的“希望寄托在你们身上”一席话。于是，他写了长达20页的书面报告，说明地铁深埋不仅关系到技术和投资问题，还将严重影响乘客使用、逃生等。这个报告逐级上报到中央军委，施仲衡多次当面向杨成武等有关领导汇报。
1960年1月，北京地铁工程局设计处总工程师谢仁德向周恩来等人汇报：苏联专家建议北京地铁全线采用防护性结构浅埋明挖的方案，不但克服了深埋的诸多不利因素，也同样能达到防护的战备目的。1959年他主持北京地铁前期研究及设计，几次深埋设计和竖井试验证明，北京的工程地质和水文地质条件不利于地铁深埋作业，技术上也难以实行。
在苏联专家帮助下，地铁工程局做了深、浅和不同防护等级的比较方案20多种。根据地质勘探资料，北京地下二三十米是厚而破碎的风化层，有渗水现象，极易膨胀崩解。如要避免地表大规模塌陷，对建筑物造成威胁，只能深埋。地铁北京站将深达160米，而红庙附近将深达200米，相当于60层楼高。这种特深车站的衬砌要求，超过了当时的施工技术水平，国内也无法生产超长电梯。按照深埋30～60米的方案，地铁线路绝大部分处于松散、饱含地下水的第四纪岩层中，静水压力约2.5～5个大气压，如果使用压缩空气盾构法或沉箱法，内部需要相等的大气压与之抗衡，而当时保安规程只允许2个大气压。如果人工降低水位，需要下降几十米。而北京的抽水试验证明，水位下降几米都很困难。深埋方案对于人民防空也极为不利，它将拉大站间距。无论平时乘客上下，还是战时兵力机动和人口疏散，都会在咽喉处受阻。如果供电中断或电梯出现故障，避难者只能被困在地下，且深埋隧道破坏后的修复难度很大，还极有可能发生地下水倒灌，造成新的事故。
苏联防空专家估算：90米深的隧道，也只能承受直接命中的1万吨当量的核弹。美国1957年的实验资料表明：在一般地质条件下，100万吨当量的核弹地面爆炸，弹坑深度240米;500万吨当量的核弹爆炸，弹坑深度400米。20世纪60年代，核弹已达2000万吨当量，再深埋也不能解决直接被命中的问题，所以大多数西方国家的地铁都位于地下5～12米。从时间和造价上说，深埋一条线路等于两三条浅埋加防护的线路。总之，无论从北京的地质条件、施工技术、工程造价，还是从战备防空、交通运营来看，北京地铁都不适宜深埋。
地铁建设材料牵涉七八个部委的2000多家工厂。时值三年经济困难时期，北京地铁的投资还在，但已经买不到“米”了，只能下马。
1962年6月，地铁技术研究组改为地下铁道科学研究所，归铁道部科学研究院，继续搜集国内外地铁资料，进行地铁研究工作，陆续提出“三横三竖一圈”等60多个建设方案。
1964年，国民经济形势好转，而中国周边局势却越来越紧张，战备成了当务之急。8月19日，李富春、薄一波、罗瑞卿向中共中央、毛泽东建议，由铁道部负责，恢复北京地铁筹建处，并考虑上海、沈阳两市的地铁建设。中央军委、总参谋部、北京军区、铁道部等有关单位多次协商，在总结前些年地下铁道初步设计与系列试验的基础上，就建设方针、实施线路、埋设深度、防护等级、筹建工作等达成共识，初步定下“一环两线”。
4月，施仲衡率20多位技术人员，以及铁道兵12师59团1营官兵，在石景山至八角村区间进行500米浅埋加防护试验。八宝山至玉泉路为降水工点，玉泉路车站试点降水施工。降水、防水是修建地铁的关键技术问题。北京城位于永定河冲积扇区，水文地质条件复杂，地下水位高，水量大，地层渗透系数高。1957年3月至7月，地质勘探队在北京东、西郊打了43个深孔和41个浅孔，探明北京地下2米就有水，西郊涌水量每小时100～150吨，东郊涌水量每小时20～50吨。如果不能降低地下水位，基坑就会变成大河。经过大量科学计算和反复试验，终于研究出一套适合北京地质条件的大口井和深井泵降水，特殊地段采用集水坑直排。1960年10月以后，木樨地井点将地下水位由4.6米降到9.1米，达到设计要求的95%。降水试验基本摸清了木樨地一带的地下水渗透系数，为水文地质勘探提供了可靠资料。紧接着打拔桩试验，证明均无问题。
地铁隧道的几个方向都是有压力的地下水，地铁的防水要求高于所有的建筑级别，对地下水的抗水压、抗老化、延伸率和施工工艺要求很高，必须不渗不漏。为解决防水问题，杨勇专门考察了海军的潜水艇。在前一段试验的基础上，设计人员参照苏联地铁防水规范，在清华大学做了各种结构试验，还到杭州、武汉做通风试验，又到哈尔滨军事工程学院、某试验基地进行过原子弹爆炸试验。很多国外较好的防水材料当时国内还不能生产，也不可能大量进口。技术人员经过反复试验，选择成本低、防水性能较好的玻璃布油毡，获得成功。
6月19日，地铁领导小组第四次会议，讨论“七一”开工典礼等问题，同意石景山至八角村区间，八角村车站、八角村至八宝山区间三个工点。确定地铁进山线路方案由石景山向北延伸，经金顶街过福寿岭出地面，与地面铁路专用线相接，经三家店通入丰沙铁路。全长6.3公里，投资6150万元。国务院副总理李富春专门到现场检查，认为地铁“七一”可以开工。
北京军区司令员杨勇在北京地铁开工典礼上讲话
地铁“开膛破肚”首先就是拆迁。根据彭真指示，佟铮召集规划局、市政局、市政设计院、房管局、公安局交通处、园林局、供电局等单位组成地铁拆迁办公室，统一办理拆迁事宜。
地铁一期工程由铁道兵12师、铁道部地下铁道工程局和北京市建设局共4万余人施工。地铁工程局负责北京站至沙窝段13.97公里，铁道兵12师负责沙窝至福寿岭站15.06公里。地铁工程结构复杂，技术性强。杨勇为此提出地铁建设的三条原则：“地上服从地下，交通服从战备，时间服从质量。”
地铁工程正式开工后，杨勇上班时间处理军区工作。每天吃过晚饭，他就在家中走廊摆上桌椅，开始为地铁办公。长驻铁道部的安谦（北京军区作战部防空科副科长）回忆：地铁领导小组开过八次会议。每次会前，杨勇都要详细调查了解工程的进度、质量以及存在的问题，并提出要求。杨勇的三儿子北北回忆：好多人常常来家里开会，大地图摆不下，就铺在地上。爸爸脱了鞋，穿着袜子在地图上看来看去。本来，北京军区的事情就够多的了，又加上修建地铁，更忙得不亦乐乎。那时杨勇的办公桌上有三部电话，军线、地方线和直通中南海的红机子，白天黑夜轮番“轰炸”。
杨勇多次深入地下施工现场检查工程质量。因为没经验，冬季施工，草帘子盖着混凝土，电焊火花引着草帘子。南礼士路和古城因电焊火花发生过两次火灾。杨勇详细询问了自动灭火装置，责成安谦沿地铁施工路段检查，提出一套切实可行的措施，同时加强管理和安全教育。以后还发生过八角村滑坡塌方，南禮士路地下管道、电缆设施断裂等问题，杨勇都及时指示处理。铁道兵12师政委陈辛火回忆：1965年冬天第一场大雪后，先施工的西段基本完成。杨勇顶着北风，钻进地铁主体结构，拿着手电仔细检查是否漏水，水泥标号是否符合标准等，叮嘱战士们要遵守操作规程，确保工程质量。
1968年底，地铁一期的主体结构完工，机电设备进入全面安装阶段，但尚有70%的设备还没有落实。1969年3月初，中苏边界接连发生冲突，苏联甚至扬言随时准备进行“毁灭性的核回击”。地铁工程局派出4个巡回催货小组。3月19日，国家计委、国家建委、物资部、一机部、四机部、铁道部发出联合通知，要求有关单位提前交货。到4月初，80%以上的设备到位。
1969年上半年，地铁一期工程进入收尾阶段。工程累计革新近200项，其中最后完工的北京站，结构复杂，技术性强，能不能按期完工，直接关系到国庆20周年能不能按时通车。铁道兵12师59团创造安装钢管柱的先进办法，加快了安装进度，提前100天完成任务。
8月20日，地铁全线电力、通信、信号、车辆系统全面试运行。9月10日前，全部工程达到正式通车水平。从北京火车站起，西至苹果园，全长23.6公里，17个车站。正值“文化大革命”期间，增加了3个地铁车站和4个地下电站，线路长度增加了9公里，同时加强了全线起爆层以及护城河改道等，比计划通车时间晚了1年多。
北京地铁一期工程正式通车前，部分地铁车站小范围地接待外宾和群众参观，每天限定人数。1969年2月，木樨地车站凭单位介绍信，开始有组织地接待集体参观。7月30日，地铁工程局和铁道兵12师组成联合接待办公室。国庆节前共有1万人分3天参观地铁。8月27日，北京地铁领导小组决定，遵照周恩来指示，地铁通车时不举行典礼。9月30日上午，叶剑英、李先念、姬鹏飞分别陪同应邀参加国庆活动的6批外国领导人参观地铁，其中有朝鲜最高人民会议常任委员会委员长崔庸健、越南劳动党中央委员会第一书记黎笋等。