Inició su vida profesional en la Compañía de los Ferrocarriles de la Robla, donde ocupó la jefatura del departamento de Material y Tracción. Pero si por algo destacó fue por su precoz inclinación hacia la inventiva. No en vano, en 1926 fabricó en los talleres de Valmaseda un vagón íntegramente acoplado con soldadura eléctrica. Lo interesante de este hecho es que estuvo motivada por su intención de diseñar vehículos menos pesados que se adaptaran mejor a las difíciles condiciones de explotación existentes en esta línea septentrional. De esta forma, tal como manifestó años después, comenzó a «recorrer vertiginosamente la carrera del aligeramiento, […] que le abocaría pocos años después a la nueva orientación ferroviaria».  

Según hizo constar Goicoechea en su vindicativo El tren español, el origen del Talgo se situaba en la propuesta que hizo al Ferrocarril de La Robla, en junio de 1936, bajo el título de Soluciones de transición por el aligeramiento dentro del actual sistema de ferroviario, para construir «unas ligerísimas composiciones articuladas para vía métrica», no debiéndose considerar aquél más que como una de sus posibles versiones. Ni el caso omiso de la compañía, ni el conflicto bélico de 1936, fueron óbices para que la defendiera, bajo el título Velocidad, en el XV Congreso de la Asociación Española para el Progreso de las Ciencias, celebrado en Santander entre el 19 y el 25 de agosto de 1938 en la Sección VIII Ingeniería y Arquitectura. Las graves dificultades surgidas, una vez acabada la guerra, no fueron un obstáculo para que Goicoechea desplegara una frenética actividad para poder materializar su «nuevo tren» lo antes posible, no dudando para ello en aprovechar los influyentes contactos que tenía a su alcance. No obstante, sus logros fueron nulos, y tuvo que reingresar en los Ferrocarriles de la Robla como jefe de Material y Tracción y de Talleres. Sin embargo, este contratiempo le proporcionó la posibilidad de dar los primeros pasos concretos para consumar su aspiración inventiva. Primero, registró el 8 de enero de 1941 la patente número 151.396 que, bajo la denominación de Sistema de articulación ligera combinada para organización de trenes en rutas guiadas, proponía un tren articulado ligero, si bien, en realidad, no pasaba de ser un enunciado de algunos de los principios básicos del futuro Talgo como eran el «aligeramiento», «el descenso del centro de gravedad», la «estructura triangular» y la «rueda libre».

Para demostrar el acierto de sus principios, Goicoechea elaboró artesanalmente una especie arquetipo de tren ligero formado por doce «bastidores triangulares» -que constituían en sí mismo la invención-, que, unidos a una locomotora de vapor, un furgón y un coche-salón, ensayó el 21 de agosto y 4 de septiembre de 1941 en la línea Madrid-Leganés, que conocía muy bien. Las dos tentativas, durante las cuales se alcanzó una velocidad máxima de 75 km/h, las consideró pruebas irrefutables de que cualquier dispositivo que dispusiera de un ángulo de ataque negativo, podría circular con seguridad total sin preocuparse del peso como antidescarrilante, es decir, de que su invento funcionaba.

Tuvo la habilidad, además, de concitar en ellas a importantes personalidades del Régimen y de la neonata Renfe, entre las que destacaron su mentor el general Camilo Alonso Vega, subsecretario del Ministerio del Ejército, y Javier Marquina, a la sazón director general de la empresa pública. Ello no se tradujo en avance alguno, pero Goicoechea aprovechó su nombramiento de secretario general de la Comisaría de Material Ferroviario para montar el que ha pasado a la historia como Talgo I. Se trató de un prototipo formado por un pequeño tractor (un carretón y un motor Ganz), que construyó en los Talleres Generales de Valladolid de Renfe, y siete elementos «autoportantes» carrozados, cinco de los cuales fueron realizados por la firma Hijos de Juan Garay, mientras el resto, así como las rodaduras, los frenos y las suspensiones, lo fueron por los mencionados talleres vallisoletanos.

El tractor fue probado en mayo de 1942 en el trayecto Valladolid-Medina del Campo y luego trasladado a Madrid, donde esperaba el resto de la composición para ser ensayada. Pero la realidad, más tozuda que nunca, seguía cerrándole las puerta de la inversión pública, imprescindible para convertir este prototipo en un tren de verdad. Y Goicoechea no tuvo otro remedio que buscar financiación privada que sacara su convoy de la vía muerta en la que estaba arrumbado. Todos los protagonistas coinciden en que fue, precisamente, entonces cuando se produjo, durante la primavera de 1942, la primera y determinante entrevista entre José Oriol Urigüen y Goicoechea. Unas semanas después de este «flechazo», imposible de explicar por razones empresariales y que pronto se mostraría fallido, la familia Oriol visitó el Talgo I y el 25 de junio de 1942 firmaron un contrato de asociación con Goicoechea para explotar la mencionada patente 151.396, cuya concesión no obtuvo hasta el 29 de noviembre de ese mismo año. A pesar de su limitado alcance jurídico, este acuerdo estableció las bases de la futura empresa: se le reconoció a Goicoechea su patente y los trabajos realizados para llevarla a cabo como su aportación, aunque no se cuantificaron monetariamente; Oriol Urigüen aportó medio millón de pesetas para continuar con la materialización del tren, de las cuales 80.000 se transfirieron al ingeniero para cubrir los gastos que había contraído hasta ese momento; se creó una oficina técnica, que quedó bajo la dirección del ingeniero; se dio por supuesto que con estos recursos se podría poner en explotación el tren, razón por la cual se decidió que 120.000 pesetas de los beneficios se destinarían para abonar a Goicoechea los trabajos realizados antes de la firma del contrato; y, por último, la sociedad sería cogobernada por ambos, si bien la familia Oriol se reservaba la facultad para otorgar la última conformidad de cualquier decisión tomada por la oficina técnica.

El 28 de octubre de 1942 el notario Luis Hernández González escrituró la nueva empresa como sociedad anónima bajo la razón social de Patentes Talgo S.A. con un capital social de un millón de pesetas, distribuido en 200 acciones de 5.000 pesetas cada una, de las cuales Goicoechea retuvo 100, como resultado de las 20 en que se valoraron su patente y los trabajos realizados y 80 que adquirió en metálico; Oriol Urigüen 28; y cada uno los seis hijos de éste otras 12.

Una vez cerrado este capítulo constituyente, la confianza común que lo hizo posible se comenzó a quebrar hasta que la relación entre sus dos principales protagonistas se transformó rápidamente en encono. Todo comenzó a torcerse cuando en una prueba del Talgo I, el mítico «viaje de Meco», realizada entre Madrid y Guadalajara en octubre, se rompió una rueda en la que Goicoechea había decidido probar una rodadura de goma de caucho sobre la llanta. El ingeniero lo valoró como un incidente sin particular significación, aunque reconoció que los viajeros, entre los que se encontraban ministros, militares y directivos de Renfe, lo consideraron como un fracaso. Sin embargo, un informe anónimo fechado el 9 de febrero de 1949, seguramente escrito por Antonio María Oriol, atribuía a Goicoechea la responsabilidad del incidente por la ligereza que supuso arriesgar en un ensayo ante personalidades en cuyas manos estaba el futuro del emprendimiento. Pero, además, contraviniendo el contrato de asociación y la escritura de constitución, que otorgaban a Patentes Talgo la propiedad de cualquier patente que se registrara Goicoechea relacionada con el tren, éste inscribió a su nombre la patente 159.301 el 14 de noviembre de 1942 como Mejoras en los sistemas ferroviarios de articulación ligera combinada, cuya única novedad respecto a la fundacional residía en que reivindicaba como otra virtud la interoperabilidad del tren en cualquier ancho de vía con «una simple operación de 145 minutos» (idea que muchos años después consumaría Patentes Talgo).

La familia Oriol decidió continuar con el proyecto, pero estas primeras dudas les llevaron a sustraer a Goicoechea la dirección técnica del mismo cuando en diciembre de 1942 acudieron Babcock&Wilcox para que transformara el prototipo en un tren de verdad. Tras un año de trabajo, se tuvo que replantear el conjunto del proyecto y los despieces de los nuevos elementos que se debían fabricar, pero, sobre todo, se hizo evidente la incapacidad de Goicoechea para sacar adelante el tren. La prueba más consistente de lo dicho fue que Patentes Talgo recogiera el 30 de septiembre de 1943 en su patente 163.239 –Vehículos ferroviarios articulados formados de elementos ligeros, cortos, bajos, sobre ruedas independientes con rodadura guiada por tracción triangular– todas las mejoras introducidas en dicho proceso.

Durante este año lapso se produjo un hecho que acentuó aún más el deterioro de la relación entre los dos principales protagonistas, hasta el punto de hacer imposible que lograran ya una mínima complicidad. En efecto, Goicoechea realizó un viaje a la Alemania nazi, que, según él, fue motivada por una invitación de Schubel, representante en España de los Reich Bahn, para celebrar varias conferencias y discusiones en sus centros de estudios ferroviarios de Munich y Berlín acerca de su «nueva orientación ferroviaria». Según él, el viaje lo hizo con la única ayuda de los alemanes, a quienes explicó sus avances y logros, recibiendo de ellos una propuesta para construir el Talgo en Alemania, sin que se llegara, finalmente, a concreción alguna. Sin embargo, según José María Oriol, el viaje fue financiado por Talgo y su coste ascendió a 38.000 pesetas.

Después de su larga intervención en Galindo, el Talgo I realizó el 18 de enero de 1944 la icónica prueba de Ávila. A saber, una vez rezadas tres avemarías, iniciadas por el mismo Oriol Urigüen, y con toda su familia a bordo, así como con varios empresarios con los que esperaba contar en el nuevo emprendimiento empresarial, el convoy partió de Ávila y llegó a Madrid sin novedad alguna, alcanzando en varios tramos velocidades superiores a los 100 km/h. Y, gracias a la ayuda prestada por el personal técnico de Renfe, se realizaron, entre mayo y junio de 1944, otras seis pruebas más entre Madrid y Aranjuez, a las que asistieron numerosas personalidades. Todas dieron buen resultado, excepto a la que acudió el ministro de Obras Públicas ya que, a los 14 km de subir a bordo del convoy Alfonso Peña, se rompió un disco flector del mismo tractor y la prueba tuvo que ser suspendida.

El éxito de las pruebas indujeron a Patentes Talgo a seguir investigando, y, como resultado de ello, a registrar dos patentes más en pocos meses de 1944: el 10 de mayo la 166.006 como Perfeccionamientos en ruedas ferroviarias con bandaje intermedio elástico; y el 8 de julio la 166.809 como Vehículos ferroviarios ligeros de tracción triangular reversible.

Para los Oriol estos ensayos demostraron que la idea básica era correcta, pero que estaba todo por hacer, y que, por tanto, era imprescindible completar el tren en su totalidad. Como entendió que ello únicamente se podría llevar a cabo en Estados Unidos, organizó un viaje exploratorio del mismo Goicoechea y Jaime Mac Weigh, ingeniero al que recurrió ante las dudas que ya tenía sobre el anterior. Ambos pasaron allí tres meses, durante los cuales lograron tan solo un tibio compromiso de la American Car and Foundry (ACF) de que fabricaría el tren. Pero, la negación de Goicoechea a aceptar el papel de su colega hizo que el resultado más significativo de este periplo no fuera otro que la ruptura total y definitiva entre él y la familia Oriol. Al final, resultó imposible conjugar una personalidad ansiosa y necesitada de un triunfo inmediato y reconocido socialmente como la del ingeniero, y otra caracterizada  por la discreción y el buen hacer como la de Oriol Urigüen. La defenestración de Goicoechea se consumó en la Junta General Extraordinaria de Accionistas celebrada el 30 de junio de 1945 mediante la ampliación del capital social con 300 nuevas acciones del mismo valor nominal, que fueron suscritas en su totalidad por la familia Oriol. El capital social quedó, por tanto, en 2,5 millones, de los cuales Goicoechea pasó a poseer el 16% y los segundos el 84% restante; rompiéndose, así, la paridad anterior.

En definitiva, cabe concluir que lo que Goicoechea ofreció a Oriol no fue más que un conjunto de ideas básicas y un prototipo artesanal del tren, que necesitaban, ciertamente, de un significativo desarrollo para poder convertirse en un tren industrial. A pesar del esfuerzo investigador que realizó Patentes Talgo durante 1943 y 1944, Oriol Urigüen tuvo que enviar de nuevo a sus hijos Lucas María y Antonio María, junto a José Suárez Fernández, a Estados Unidos, donde, tras laboriosas negociaciones, de las que se desconoce prácticamente todo, firmaron el 8 de diciembre de 1945 un contrato con la ACF para que fabricara dos trenes o ramas y tres locomotoras, por un valor que no debía superar 1,1 millones de dólares. Y con las que se podrían componer, obviamente, dos trenes conformados por una locomotora y 16 elementos (un furgón, tres de servicio y doce coches -uno de ellos observatorio-) y con una oferta total de 192 plazas.

Sin embargo, pronto surgió un serio problema ya que los asesores norteamericanos Byerly, Watson and Simond comunicaron a Patentes Talgo que, una vez estudiadas tres patentes norteamericanas, solo resultaba posible una protección parcial de la patente fundacional y de las otras tres registradas posteriormente. Ello venía a señalar que la primera no sería tan original como pareciera, lo cual, según manifestó Goicoechea en una carta que envió el 27 de enero de 1949 a Antonio María Oriol, se tradujo en que hubiera tenido que oír que su «patente era poco menos que una estafa y que no valía para nada». A pesar de la defensa que hacía de su invento, reconocía en una carta que, cuando preparó la patente, «pensaba en un servicio ferroviario modesto a lo sumo Vascongados y como máximum maximorum el extenderlo por Europa con una patente española», lo cual acentuaba la duda.

Fue entonces cuando Goicoechea decidió abandonar la empresa, lo cual se convirtió en otro serio problema añadido. Según una carta de Lucas María Oriol, fechada el 18 de marzo de 1946, quince días antes mantuvieron una reunión ambas partes donde se constataron las diferencias al respecto sin llegar a un acuerdo. Así las cosas, y siguiendo lo dispuesto en el contrato de asociación y en los estatutos, acudieron al laudo como fórmula de solución. Éste centró las discrepancias en que mientras Goicoechea quería vender sus acciones, los Oriol consideraban que no lo podría hacer hasta que el tren fuera una realidad; y en la reclamación de Goicoechea de que sus acciones se revalorizasen en función de la futura ampliación de capital. El laudo falló que Goicoechea no podía vender sus acciones a alguien que no fuera accionista si alguno de estos quería comprarlas a su valor nominal; que los Oriol tenían derecho de compra de las acciones por su valor nominal; que Goicoechea estaba obligado a realizar toda acción que fuera necesaria para desarrollar la patente constituyente de la empresa; y que ningún accionista tenía derecho a que sus acciones se revalorizasen por encima del nominal porque se realizase una ampliación de capital para culminar la fabricación del tren.

 Goicoechea quedó atado a Patentes Talgo, pero no aceptó dicha situación, alargándose la disputa durante varios años. Pero el centro de gravedad de esta historia se desplazó hacia las factorías norteamericanas de la ACF, en donde se fabricó el primer tren talgo que prestó servicio comercial, bajo el nombre de Talgo II, a partir del 14 de julio de 1950 entre Madrid e Irún.