太平天国革命和第二次鸦片战争失败以后，清朝统治者中有一部分人感到，中国的科学技术太落后，枪炮太差了，如果再这样下去，会危及到清王朝的统治。因此，他们搞起洋务运动，购买外国的机器，办起一些工业来。
这时，曾经在美国留学过的爱国知识分子容闳提出了一项建议，希望清政府能不断地派学生到美国去留学，掌握先进的科学技术知识。容闳的用意，是让这些学生学成回国后，把中国搞得富强起来。热衷于搞洋务运动的一些官员，接受了这项建议，并奏请朝廷批准，接着，各省推选留学生。那时，各地都没有学过西方科技知识和外国语言文字的青年，所以必须挑选儿童，到美国去从头学起。
广东省挑中的儿童中，有一个名叫詹天佑的，他祖上是安徽省婺（wù）源县（今属江西省），后来移居广东。1861年（清咸丰十一年），詹天佑就出生在广东南海县。广东挑选留美儿童时，他正好11岁，年龄合格。他父亲是个茶商，和外界接触较多，愿意让他去，这在当时算是思想非常开通的。因为去遥远的美国读书，毕竟是件陌生的事。到那里去的华工，有不少病死异乡；留学生的命运究竟怎样呢？谁也不能保证。清政府怕负责任，要选中留学的儿童家长都签一份“出洋志愿书”，上面写明“倘有疾病生死，各安天命”。就这样，詹天佑作为中国第一批官费留学生，于 1872年（清同治十一年）登上轮船，出发去美国了。
1878年（清光绪四年）5月，詹天佑考入耶鲁大学土木工程系，专门攻读铁路工程。他并不是一个死读书的学生，和美国学生很合得来，一起游泳、滑冰、钓鱼、打球。詹天佑尤其喜欢打棒球。当时，中国学生组织了一个中华棒球队，詹天佑就是这个队的队员。因为他棒球打得好，在耶鲁大学出了名。他还阅读了大量欧洲文学作品，但是，对自己的专业课程，丝毫也没有放松。一、二年级时，他获得过数学奖学金。毕业时，他又考了第一名。他写的毕业论文题目是《码头起重机的研究》，很有学术价值。当时在中国驻美公使馆中工作的容闳，为了让一部分成绩优良的学生学得更好些，打算选派一些学生进美国陆海军学校深造。詹天佑被选中了。但是，美国政府不让中国学生学习军事，这件事只能作罢。正在这时，清政府忽然下令，把全部留学生撤回中国。这个消息对留学生是个很大的打击。因为这时全体留学生中，只有两人取得了学位。绝大部分人没有学完就回国，岂不是半途而废？清政府为什么做出这样荒唐的决定呢？原来，它按照“中学为体，西学为用”的方针，只准学生到美国去学习技术知识，而不肯让他们接受西方思想的影响。专任留学生学监吴子登，忠实地执行了这个方针，对留学生的行动监视得很严。他一贯指责学生参加打球之类的运动，干涉他们的衣服式样更不准留学生进教堂，可是，留学生和美国的学生接触多了，生活方式渐渐受到了影响。他们总觉得，脑后拖着条辫子不太雅观，穿着长袍活动也不方便。有些学生提出，要像美国学生一样穿西服；胆子大一点的，甚至提出要剪掉辫子。这样一来，可惹下大祸了。留学生要穿洋人的服装，这还了得！尤其是那根辫子，清政府把它看做是自己统治权力的象征，要把它剪掉，岂不是想丢掉根本？如果这样，学了技术对清政府统治还有何用？为此，吴子登将这些事报告给清政府，说如果让这些学生成了异端，贻害无穷。清政府接到报告后，立即命令留学生全部回国。詹天佑还算幸运，是取得学位的两个学生中的一个。他抱着满腔的热情和希望，要把自己学到的本领献给祖国。
1881年7月，詹天佑和他的同学们回到祖国。10月间，他被派到福建水师学堂学习驾驶海船。原来清政府以为，大多数留学生没有完成学业，所以在国内让他们重新学习。詹天佑学的是铁路，竟派他去学轮船驾驶。詹天佑无法反对，便在水师学堂里认真学习。第二年6月，他以一等第一名的成绩毕业。11月，就被派到“扬武”号军舰上担任驾驶官。
中法战争爆发后，法国军舰开进马尾港，包围了福建水师。中国军舰却接到命令，不准先开火。于是，福建水师处于十分不利的地位。詹天佑见情势危急，就对管带张成说：“法国军舰来了这么多，显然是想消灭我们。我们虽然接到不准先开火的命令，但也不能不做好应战准备。”张成也赞成这个意见，所以命令全舰士兵严阵以待。果然，法国军舰偷袭，“扬武”号军舰立即发炮回击，在闽江口与法国军舰激战近6个小时。这艘军舰上有5个学生，他们都学有所长，所以在战斗中技术操作非常熟练。詹天佑的表现尤其突出。在战斗中他毫不畏惧。当军舰中炮，有士兵落水时，他奋不顾身地跳进水中，仗着留学时学得的高超的游泳技术，一连救起了好几个人。但是，由于法国军舰多，中国舰队的指挥也不恰当，这一仗，中国水师的损失很大。
1881年，詹天佑忽然接到命令，要他离开福建水师，前往中国铁路公司工作。詹天佑高兴极了，铁路是他的专长，现在终于有了发挥他专长的机会。詹天佑被公司总办伍廷芳聘请为“帮工程师”，作为外国工程师的助手，参加修筑唐山到天津的铁路。在铺设唐津铁路的工程中，詹天佑直接到工地指挥施工，从早到晚，从不吝惜自己的精力。经过80天的努力，铺轨工程完成了。
这条铁路的关键性工程，是滦河铁路。1892年，这项工程开始。由于滦河河床的泥水很深，打桩难度很高。当时，英国的施工技术是世界第一流的，金达便决定由英国人喀克斯包工承建。可是施工时，还是遇到前所未遇的困难；加上施工时水涨流急，喀克斯失败了。在无法进展的情况下，他请日本人来帮忙。日本人的技术并不比英国人高明，对此也无能为力。喀克斯又只得再将工程包给德国。德国工程师采用了空气打柱法的新技术，但结果还是失败了。
詹天佑接受任务后，立即仔细研究了滦河河床的地质构造和其他方面的资料，并且穿着工作服，到施工现场进行实地调查和测量。他发现，在这里打桩，确实难度极大，怪不得英、日、德三国工程师都失败了。经过反复比较，他选准了合适的筑桥地点，并决定用压气沉箱法进行桥墩施工。这种方法，在中国从未使用过，是否能成功没有把握。因此，詹天佑加倍小心，仔细计算。当潜水员潜入水底施工时，他常常站在现场的岸上，随时研究和解决出现的问题。终于，这个新方法试验成功了。桥基工程顺利完成后不久，滦河大铁桥的工程也全部按期完成。这一成功，解决了唐津铁路的关键问题，詹天佑也因这次成功而名声大振。那些富有经验的外国工程师，不得不佩服这位初露才华的中国工程师。 1905年5月，詹天佑接受清政府的一项任命，担任由北京到张家口的京张铁路总办兼总工程师。以前，中国的铁路的建筑都是由外国人承包的，京
张铁路则是中国自己修筑的第一条重要干线。因此，詹天佑肩上的担子不轻。京张铁路全长200公里，并不算长。但是它要经过内外长城间的燕山山脉，沿途要穿越许多险峻的山岭。其中尤以南口到岔道城的“关沟段”最为险峻，工程十分艰难。詹天佑负责修建这条铁路的消息传开后，国内外许多人都认为，这条路不可能修成。接着，他便全力投入了筑路工程。当时中国非常贫穷，要花费大量的资本投入这条铁路，那是不可能的。因此詹天佑在筑路时，提出了三项修筑要求：花钱少，质量好，完工快。施工中首先要解决的，是找一条最合理的工程路线。詹天佑搜寻了大量的文字资料，还亲自访问沿线的居民。他冒着塞外的寒冷和风沙，骑着一头小毛驴，带着助手们在崎岖的山路上奔波。白天翻山越岭，测绘地形，晚上在油灯下核对资料，绘图计算。他几乎走遍了整个京张路工程地区，取得了全部有关资料和数据，制定出三条线路方案，最后选择了最理想的一个。线路大多在崇山峻岭中穿行，这给工程造成了无数困难。为了克服这些困难，詹天佑把总工程师办公处搬到工地上，与工程人员一起工作，及时解决难题。
八达岭是个天险，铁路经过这里，只能挖掘隧道。隧道深长难挖，詹天佑经过仔细考虑，决定采用分段施工和中距离凿进的方法。分段施工，就是分别从计划的隧道的两端向中间同时凿进；中距离凿进法，则是在计划的隧道中段上面开一口大井，直达隧道的深度，然后再向洞的两端开凿。采用这种方法，时间快，但是必须做到十分精确，为了保证精确无误，詹天佑总是亲自定线、定位，甚至检查每个炮眼的直径、距离和位置。过八达岭，全用隧道是不可能的。隧道只能有一定的长度，还需要设法使火车安全地爬上八达岭，这就需要解决坡度大的难题；尤其是青龙桥地段，山多坡陡，火车爬上来既困难又危险。为了解决这一难题，詹天佑做出了一项创造：他运用“折反线”的原理，设计出了一段“人”字形的线路，使火车沿着斜的陡坡上山；经过一段距离后再折返，朝另一方向斜着爬坡。这样就降低了坡度，不用挖隧道，由两台机车一拉一推，就可以使列车安全上坡。经过詹天佑和全体技术人员、工人4年的辛勤劳动，京张铁路终于在1900年8月全线竣工，比计划提前了两年，还剩余了28万余两白银。这条200公里长的铁路，共有4条隧道，总长1700多米，架桥125座，涵洞200多个，动土石2亿立方，工程是十分浩大的，当时有人称赞它是“祖龙望而夺气”，意思是说，造万里长城的秦始皇看到这条铁路，也要被吓倒的。詹天佑出生在广东，前来参观的广东代表兴奋地向他祝贺说：“詹总办独运匠心，不借助外国人一分一毫的力量，造好了这条铁路，为中国人扬眉吐气。”詹天佑听了这些赞扬的话，谦虚地回答：“这是造铁路的一万多员工的力量，不是我个人的力量。”
1919年4月24日，詹天佑因病去世，年仅58岁。他在世上的时间不算长，但在中国铁路史上做出的贡献，却是十分巨大的。