И. Ф. Мамонтов занялся строительством железных дорог. Летом 1863 года была запущена Московско-Троицкая железная дорога. Иван Фёдорович был избран членом правления этой дороги. Савва же всё больше увлекался театром, вошёл в театральный кружок. Отец Саввы с тревогой относился к праздным увлечениям сына. Сам Савва всё хуже учился в университете.
Видя это, Иван Фёдорович Мамонтов решил отправить Савву по делам Закаспийского товарищества (он был его сооснователем) в Баку. Осенью 1863 года Савва Мамонтов стал руководить центральным Московским отделением товарищества.
В 1864 году Савва посетил Италию, где начал брать уроки пения. Там же он познакомился с дочерью московского купца Григория Григорьевича Сапожникова — Елизаветой, впоследствии ставшей его женой (свадьба в 1865 году в Киреево). Семья Сапожниковых занимала высокое положение в обществе, и согласие на брак было подтверждением прочности позиций Мамонтовых. Елизавете было около 17 лет, она не отличалась особой красотой, но любила читать, пела, много занималась музыкой. Молодая семья поселилась в доме на Садовой-Спасской улице, купленном отцом Саввы Мамонтова. Этот особняк неоднократно перестраивался.
И. Ф. Мамонтов был крупным акционером и директором общества Московско-Ярославской железной дороги, возглавляемого Ф. В. Чижовым (1811—1877). Ранее Чижов был профессором математики Санкт-Петербургского университета. Он был знаком со многими писателями и художниками и сыграл в жизни Саввы большую роль.
В 1869 году умер Иван Фёдорович Мамонтов. Чижов втягивал Савву в самостоятельную предпринимательскую деятельность, и в 1872 году по его рекомендации Савва занял пост директора общества Московско-Ярославской железной дороги. Савва Мамонтов избирается гласным Городской думы и действительным членом Общества любителей коммерческих знаний, становится признанным членом московского купечества.
Савва и его жена Елизавета Григорьевна решили приобрести свой дом за городом (Киреево было унаследовано старшим братом). Узнав, что продаётся усадьба писателя С. Т. Аксакова, супруги осмотрели дом в Абрамцево (1870). Несмотря на его плохое состояние, из-за живописной местности вокруг и архитектуры дома Мамонтовы приобрели усадьбу (за 15 тысяч рублей, на имя жены). Мамонтовы неоднократно перестраивали дом и благоустраивали усадьбу.
Мамонтову всё ещё была тяжела предпринимательская деятельность, особенно после очередного посещения Италии. Однако после избрания директором железной дороги бросить дело он уже не мог — увлёкся.
В 1876 году государство назначило конкурс на проведение Донецкой каменноугольной железной дороги. Соискатели обязаны были предоставить проект и смету. Савва Мамонтов выиграл торги. В 1882 году строительство Донецкой каменноугольной железной дороги полностью завершилось, после чего она была выкуплена государством.
В начале 1890-х годов правление Московско-Ярославской железной дороги (ныне Северная железная дорога) приняло решение продлить дорогу до Архангельска, что соответствовало увеличению протяжённости дороги почти в два раза. Савва Мамонтов считал данную дорогу необходимой стране и строил её практически без финансовой заинтересованности.
Мамонтов был чужд государственных наград, однако министр финансов С. Ю. Виттедобивался для него и престижных званий и даже ордена Владимира 4-й степени.