少年时的詹天佑对机器十分感兴趣，常和邻里孩子一起，用泥土制做各种机器模型。有时，他还偷偷地把家里的自鸣钟拆开，摆弄和着摸里面的构件，提出一些连大人也无法解答的问题，村里人都很佩服这个孩子。1872年，年仅十二岁的詹天佑到香港报考清政府筹办的“幼童出洋预习班”.考取后，父亲在一张写明“倘有疾病生死，各安天命”的出洋证明书上画了押。从此，他辞别父母，怀着学习西方“技艺”的理想，来到美国耶鲁大学就读。

在美国，出洋预习班的同学们，亲眼目睹北美西欧科学技术的巨大成就，对机器、火车、轮船及电讯制造业的迅速发展赞叹不已。有的同学由此对中国的前途而产生悲观情绪，但詹天佑却怀着坚定的信念说：“今后，中国也要有火车、轮船。”他带着为祖国富强而发奋学习的信念，刻苦学习，于1877年以优异的成绩毕业于纽海文中学业。同年五月考入耶鲁大学土木工程系，专攻铁路工程。在大学的四年中，詹天佑刻苦学习，以突出成绩在毕业考试中名列第一。詹天佑在美国先后就学于威哈吩小学，弩哈吩中学，1881年又以优异成绩毕业于耶鲁大学，并写出题为《码头起重机的研究》的毕业论文，获学士学位，并于同年回国。1881年，在一百二十名回国的中国留学生中，获得学位的只有两人，詹天佑便是其中的一个。

回国后，詹天佑怀着满腔的热忱，准备把所学本领贡献给祖国的铁路事业。但是，清政府洋务派官员却过分迷信外国，在修筑铁路时一味依靠洋人，竟不顾詹天佑的专业特长，把他差遣到福建水师学堂学驾驶海船。1882年11月又被派往旗舰“扬武”号担任驾驶官，指挥操练。1883年，中法战争爆发，第二年，讨伐中国计划蓄谋已久的法国舰队陆续进入闽江，蠢蠢欲动。可是主管福建水师的投降派船政大臣何如璋却不闻不问，甚至下令：“不准先行开炮，违者虽胜亦斩!”这时，詹天佑便私下对“扬武”号管带(舰长)张成说：“法国兵船来了很多，居心叵测。虽然我们接到命令，不准先行开炮，但我们决不能不预先防备。”由于詹天佑的告诫，“扬武”号十分警惕，作好了战斗准备。当法国舰队发起突然袭击时，詹天佑冒着猛烈的炮火，沉着机智地指挥“扬武”号左来右往；避开敌方炮火，抓住战机用尾炮击中法国指挥舰“伏尔他”号，使法国海军远征司令孤拔险些丧命。对这场海战，上海英商创办的《字林西报》在报道中也不得不惊异地赞叹：“西方人士料不到中国人会这样勇敢力战。‘扬武’号兵舰上的五个学生，以詹天佑的表现最为勇敢。他临大敌而毫无惧色，并且在生死存亡的紧要关头还能镇定如常，鼓足勇气，在水中救起多人……”

从战后到1888年，几经周折，终于转入了中国铁路公司，担任工程师，这正是他献身中国铁路事业的开始。 詹天佑刚上任不久，就遇到了一次考验。当时从天津到山海关的津榆铁路修到滦河，要造一座横跨滦河的铁路桥。滦河河床泥沙很深，又遇到水涨急流。铁桥开始由号称世界第一流的英国工程师担任设计，但失败了；后来请日本工程师衽实行包工，也不顶用，最后让德国工程师出马，不久也败下阵来。詹天佑要求由中国人自己来搞，负责工程的英国人在走投无路的情况下，只得同意詹天佑来试试，最终詹天佑解决了三个外国工程师无法完成的大难题，成功建成了滦河大桥。