Kế hoạch khai thác thuộc địa lần thứ nhất của thực dân Pháp ở Đông Dương là chương trình Paul Doumer: Trong chương trình này có phần làm con đường xe lửa từ Hà Nội đi Lạng Sơn, đi Hải Phòng, đi Lao Cai, đi Nam Định. Ba con đường đi Hải Phòng, Lạng Sơn, Lao Cai phải qua sông Hồng và nhất thiết phải bắc cầu sắt.
Sông thì rộng, lũ hằng năm về thường lớn, cầu bắc qua sông là một công trình đồ sộ đòi hỏi phải đầu tư nhiều tiền và kỹ thuật cao. Năm 1897 thi mẫu vẽ thiết kế cầu, hãng Daydé và Pillé được thầu làm công trình này.
Lẻ khởi công, đặt viên đá đầu tiên ngày 13 tháng 9 năm 1898, và khánh thành cầu ngày 28 tháng 2 năm 1902, cầu được đặt tên là Paul Doumer. Đây là một chiếc cầu lớn ở đầu thế kỷ XX, có chiều dài xếp hàng thứ hai trên thế giới sau cầu Brooklyn của Mỹ bắc qua East River.
Cầu có ba phần, tổng cộng dài 3.500 mét, gồm:
- Cầu chính bằng sắt vượt qua hai bên bờ sông nối Hà Nội vói Gia Lâm, dài 1.682 mét.
- Bên phía Hà Nội có một cầu xây bằng đá để dẫn xe lửa lên dốc nối với cầu sắt dài 800 mét;
- Bên phía Gia Lâm có một đường đất đắp cao dốc xuống dần về phía ga để dẫn đoàn tàu lên xuống cầu, từ đầu cầu đến sát ga dài ngót 1.000 mét.
Phần của hãng thầu làm là cầu chính; phần cầu xây và đường xe lứa phía Gia Lâm do Nha Công chính Đông Dương đảm nhiệm. Toàn bộ cầu Paul Doumer chi phí hết 6.200.000 frâng, trích ở tiền công trái thuộc địa Đông Dương.
Cầu chính dài 1.682 mét hoàn toàn bằng thép, cầu có 19 nhịp lớn nối liền với nhau bằng những rầm sắt. Có 9 khung khổng lồ, mỗi khung 61 mét, hai cánh cung cách nhau 75 mét chìa cánh tay ra 30,6 mét nâng những tám rầm sắt chiều dài 45 mét, cao 5 mét, mỗi tấm nặng hàng tấn. Những nhịp cầu được đặt trên 18 trụ cầu xây và hai đầu cầu khung thép.
Trụ cầu xây từ dưới lòng sông lên cao 4,4 mét, ngập sâu dưói mặt nước 30 mét ở mực nước thấp nhất, khí lũ cao 13,5 mét cầu vẫn đảm bảo cho tàu thuyền qua lại bên dưới. Điểm cao nhất từ nóc trụ cầu lên đỉnh là 17 mét. Nhìn từ trên xuống, cầu sắt có bình diện hình chữ nhật dài, diện tích là 100.000 mét vuông (chưa kể hai bên cánh gà làm thêm sau này).
Xây dựng xong cầu đã sử dụng hết 30.000 mét khối đá, 5.300 tấn thép. Thép do các xí nghiệp bên Pháp cung cấp; xi măng của nhà máy xi măng Portand Hải Phòng; vôi chở từ Huế ra; gỗ mua ở Thanh Hóa.
Lúc đầu cầu Doumer mới làm có khoang giữa và bắc đường xe lửa, hai bên có hai lối đi hẹp dành cho người đi bộ. Sau năm 1918, giao thông bằng ô tô phát triển, cần thiết phải mở rộng cầu ở hai bên cho xe cộ đi. Năm 1921, tiến hành lắp cánh gà, mở rộng lối đi hai bên trước là 80 phân thành 3 mét. Cầu phải ghép thêm nhiều tay đỡ; nền cầu bằng gỗ lim, sau rải thêm nhựa, suốt dọc hai bên cầu có lan can.
- Cầu dẫn xe lửa lên cầu sắt ở phía Hà Nội là một cầu xây dài 800 mét, nhân dân ta quen gọi là cầu Dốc Gạch, cầu xây bằng đá xanh dọc theo phố Phùng Hưng (Henri d’Orléans) đến Hàng Lược thì vòng theo đằng sau Hàng Khoai và Hàng Đậu. cầu xây kín từ đầu Phùng Hưng đến phố Của Đông thì nền đá cao đến 5 mét; từ đấy đến đầu cầu sắt bờ sông, cầu xây có khoang cuốn ở bên dưới, tất cả là 130 khoang. Khoang số 1, số 50, số 77, số 94, số 122-123 là những đoạn cầu sắt ngắn bắc ngang qua các phố Cửa Đông, phố Lê Văn Linh, phố Hàng Cót-Hàng Lược, phố Hàng Giấy, phố Nguyễn Thiếp. Từ khoang 122 đến khoang 130, bên trên là sân ga Đầu Cầu, có bậc thang từ dưới đi lên ở cạnh nhà ga. Ga Đầu Cầu làm sau năm 1930 để tiện chỗ hành khách đi xe lửa ở quanh khu vực này, nhất là những người buôn bán ở chợ Đồng Xuân, cầu dẫn chỉ dành riêng cho xe lửa; xe ô tô và người đi bộ lên xuống cầu sắt bằng hai con đường dốc ở hai bên đầu cầu phố Bờ Sông.
- Từ đầu cầu phía Gia Lâm đến đầu ga Gia Lâm là một con đường bằng đất, một đầu đắp cao ngang mặt cầu, dốc thoai thoải về phía ga Gia Lâm, dài khoảng một cây số, trên có đường sắt nối từ đầu cầu đến ga. Đất đắp đường đào ở hai bên đường nay vẫn còn những dải hồ rộng và dài.
Cầu Doumer sau hai phần ba thế kỷ sử dụng, nay không còn thích hợp nữa: đường sắt với bề ngang hẹp 1 mét mà ngày nay bề rộng bánh xe lửa thông thường là 1,435 mét; ô tô tải lớn không đi vừa lối đi bên cạnh cầu; lưu lượng giao thông ngày một lớn: cầu làm đã lâu năm, lại nhiều lần bị máy bay Mỹ đánh phá ác liệt, hỏng nặng cả nhịp lẫn trụ.
Với nhịp độ phát triển như hiện nay, khu bắc sông Hồng thành khu công nghiệp quan trọng, Hà Nội cần có nhiều cầu lớn, tối thiểu phải có ba bốn chiếc, để qua sông Hồng. Năm 1974, bắt đầu xây dựng cầu Thăng Long; năm 1979 lại thêm dự án làm một cầu cáp treo để kịp thời giải quyết những khó khăn về giao thông.
