在美國，出洋預習班的同學們，目睹北美西歐科學技術的巨大成就，對機器、火車、輪船及電訊製造業的迅發展讚歎不已有的同學由此對中國的前途產生悲觀情緒，詹天佑卻懷着堅定的信念說：“今後，我們中國也要有火車、輪船”他懷着爲祖國富強而發奮學習的信念，刻苦學習於1877年以優異的成績畢業於紐海文中學同年五月考入耶魯大學土木工程系，專攻鐵路工程在大學的四年中，詹天佑刻苦學習，以突出成績在畢業考試中名列第一1881年，在一百二十名回國的中國留學生中，獲得學位的只有兩人，詹天佑就是其中的一個
回國後，詹天佑滿腔熱忱地準備把所學本領貢獻給祖國的鐵路事業但是，清政府洋務派官員迷信外國，在修築鐵路時一味依靠洋人，竟不顧詹天佑的專業特長，把他差遣到福建水師學堂學駕駛海船1882年11月又被派往旗艦““揚武”號擔任駕駛官管輪，指揮海軍士兵進行操練1883年，中法戰爭爆發，第二年，蓄謀已久的法國艦隊陸續進入閩江，蠢蠢欲動可是主管福建水師的投降派船政大臣何如璋卻不聞不問，甚至下令：“不準先行開炮，違者雖勝亦斬”這時，詹天佑便私下對“揚武”號管帶艦長張成說：“法國兵船來了很多，居心叵測雖然我們接到命令，不準先行開炮，但我們決不能不預先防備”由於詹天佑的告誡，“揚武”號十分警惕，作好了戰鬥準備當法國艦隊發起突然襲擊時，詹天佑冒着猛烈的炮火，沉着機智地指揮“揚武”號左右衝突；避開敵方炮火，抓住戰機用尾炮擊中法國指揮艦“伏爾他”號，使法國海軍遠征司令孤拔險些喪命
對這場海戰，上海英商創辦的《字林西報》在報道中也不得不驚異地讚歎：“西方人士料不到中國人會這樣勇敢力戰‘揚武’號兵艦上的五個學生，以詹天佑的表現最爲勇敢他臨大敵而毫無懼色，並且在生死存亡的緊要關頭還能鎮定如常，鼓足勇氣，在水中救起多人……”
後來詹天佑幾經周折，轉入到中國鐵路公司，擔任工程師，這是他獻身中國鐵路事業的開始
剛上任不久，詹天佑就遇到了一次考驗當時從天津到山海關的津榆鐵路修到灤河，要造一座橫跨灤河的鐵路橋灤河河牀泥沙很深，又遇到水漲急流鐵橋開始由號稱世界第一流的英國工程師擔任設計，但失敗了；後來請日本工程師實行包工，也不頂用，最後讓德國工程師出馬，不久也敗下陣來詹天佑要求由中國人自己來進行，負責工程的英國人在走投無路的情況下，只得同意詹天佑來試試
詹天佑是一個認真踏實的人，他分析總結了三個外國工程師失敗的原因後，身着工作衣與工人一起實地調查，經過周密的測量夜晚，藉着幽暗的油燈，又仔細研究灤河河牀的地質構造，反覆分析比較，最後才確定橋墩的位置，並且大膽決定採用方法——“壓氣沉箱法”來進行橋墩的施工詹天佑的設計果然成功了，不久灤河大橋建成通車了這件事震驚了世界：一箇中國工程師居然解決了三個外國工程師無法完成的大難題
詹天佑初戰告捷後，立刻遇到了爲嚴峻的考驗1905年，清政府決定興建我國第一條鐵路京張鐵路北京至張家口當時英、俄都想插手，由於中國人民的強烈反對，他們的企圖沒能得逞英俄使臣以威脅的口吻說：“如果京張鐵路由中國工程師自己建造，那麼以後與英、俄兩國無關”他們原以爲這麼一來，中國就無法建造這條鐵路了在這關鍵時刻，詹天佑毫不猶豫地接下了這個艱鉅的任務，全權負責京張鐵路的修築消息傳來，一些帝國主義分子及英國報刊挖苦說：“中國能夠修築這條鐵路的工程師還在孃胎裡沒出世呢中國人想不靠外國人自己修鐵路，就算不是夢想，至少也得五十年”他們甚至攻擊詹天佑擔任總辦兼總工程師是“狂妄自大”、“不自量力”詹天佑頂着壓力，堅持不任用一個外國工程師，並表示：“中國地大物博，而於一路之工必須借重外人，我以爲恥況我中國已經醒過來了，中國人要用自己的工程師和自己的錢來建築鐵路”
1905年8月，京張鐵路正式開工，緊張的勘探、選線工作開始了詹天佑帶着測量隊，身背儀器，日夜奔波在崎嶇的山嶺上一天傍晚，猛烈的西北風捲着沙石在八達嶺一帶呼嘯怒吼，颳得人睜不開眼睛，測量隊急着結束工作，填個測得的數字，就從巖壁上爬下來詹天佑接過本子，一邊翻看填寫的數字，一邊疑惑地問：“數據準確嗎？”
“差不多”測量隊員回答說
詹天佑嚴肅地說：“技術的第一個要求是精密，不能有一點模糊和輕率，‘大概’‘差不多’這類說法不應該出於工程人員之口”接着，他背起儀器，冒着風沙，重吃力地攀到巖壁上，認真地復勘了一遍，修正了一個誤差當他下來時，嘴脣也凍青了
不久，勘探和施工進入最困難的階段在八達嶺、青龍橋一帶，山巒重迭，陡壁懸巖，要開四條隧道，其中最長的達一千多米詹天佑經過精確測量計算，決定採取分段施工法：從山的南北兩端同時對鑿，並在山的中段開一口大井，在井中再向南北兩端對鑿這樣既保證了施工質量，又加快了工程進度鑿洞時，大量的石塊全靠人工一鍬鍬地挖，涌出的泉水要一擔擔地挑出來，身爲總工程師的詹天佑毫無架子，與工人同挖石，同挑水，一身污泥一臉汗他還鼓舞大家說：“京張鐵路是我們用自己的人、自己的錢修建的第一條鐵路，全世界的眼睛都在望着我們，必須成功”“無論成功或失敗，決不是我們自己的成功和失敗，而是我們國家的成功和失敗”