Comme arpenteur et ingénieur, Sandford Fleming travaille au développement des chemins de fer parmi les plus importants au pays, le Northern Railway, l’Intercolonial, le Canadien Pacifique.
Le premier projet auquel il participe est celui de l’Ontario, Simcoe and Huron Rail-Road, qui deviendra le Northern Railway.
Ce chemin de fer relie Toronto à la baie Georgienne. Fleming y entre en 1852 et, cinq ans plus tard, en devient l’ingénieur en chef.
C’est le début d’une carrière ferroviaire qui s’étalera sur plus de trente ans.