太平天國革命和第二次鴉片戰爭失敗以後，清朝統治者中有一部分人感到，中國的科學技術太落後，槍炮太差了，如果再這樣下去，會危及到清王朝的統治。因此，他們搞起洋務運動，購買外國的機器，辦起一些工業來。
這時，曾經在美國留學過的愛國知識分子容閎提出了一項建議，希望清政府能不斷地派學生到美國去留學，掌握先進的科學技術知識。容閎的用意，是讓這些學生學成回國後，把中國搞得富強起來。熱衷於搞洋務運動的一些官員，接受了這項建議，並奏請朝廷批准，接著，各省推選留學生。那時，各地都沒有學過西方科技知識和外國語言文字的青年，所以必須挑選兒童，到美國去從頭學起。
廣東省挑中的兒童中，有一個名叫詹天佑的，他祖上是安徽省婺(wù)源縣(今屬江西省)，後來移居廣東。1861年(清咸豐十一年)，詹天佑就出生在廣東南海縣。廣東挑選留美兒童時，他正好11歲，年齡合格。他父親是個茶商，和外界接觸較多，願意讓他去，這在當時算是思想非常開通的。因為去遙遠的美國讀書，畢竟是件陌生的事。到那裡去的華工，有不少病死異鄉;留學生的命運究竟怎樣呢?誰也不能保證。清政府怕負責任，要選中留學的兒童家長都籤一份“出洋志願書”，上面寫明“倘有疾病生死，各安天命”。就這樣，詹天佑作為中國第一批官費留學生，於 1872年(清同治十一年)登上輪船，出發去美國了。
1878年(清光緒四年)5月，詹天佑考入耶魯大學土木工程系，專門攻讀鐵路工程。他並不是一個死讀書的學生，和美國學生很合得來，一起游泳、滑冰、釣魚、打球。詹天佑尤其喜歡打棒球。當時，中國學生組織了一箇中華棒球隊，詹天佑就是這個隊的隊員。因為他棒球打得好，在耶魯大學出了名。他還閱讀了大量歐洲文學作品，但是，對自己的專業課程，絲毫也沒有放鬆。一、二年級時，他獲得過數學獎學金。畢業時，他又考了第一名。他寫的畢業論文題目是《碼頭起重機的研究》，很有學術價值。當時在中國駐美公使館中工作的容閎，為了讓一部分成績優良的學生學得更好些，打算選派一些學生進美國陸海軍學校深造。詹天佑被選中了。但是，美國政府不讓中國學生學習軍事，這件事只能作罷。正在這時，清政府忽然下令，把全部留學生撤回中國。這個訊息對留學生是個很大的打擊。因為這時全體留學生中，只有兩人取得了學位。絕大部分人沒有學完就回國，豈不是半途而廢?清政府為什麼做出這樣荒唐的決定呢?原來，它按照“中學為體，西學為用”的'方針，只准學生到美國去學習技術知識，而不肯讓他們接受西方思想的影響。專任留學生學監吳子登，忠實地執行了這個方針，對留學生的行動監視得很嚴。他一貫指責學生參加打球之類的運動，干涉他們的衣服式樣更不準留學生進教堂，可是，留學生和美國的學生接觸多了，生活方式漸漸受到了影響。他們總覺得，腦後拖著條辮子不太雅觀，穿著長袍活動也不方便。有些學生提出，要像美國學生一樣穿西服;膽子大一點的，甚至提出要剪掉辮子。這樣一來，可惹下大禍了。留學生要穿洋人的服裝，這還了得!尤其是那根辮子，清政府把它看做是自己統治權力的象徵，要把它剪掉，豈不是想丟掉根本?如果這樣，學了技術對清政府統治還有何用?為此，吳子登將這些事報告給清政府，說如果讓這些學生成了異端，貽害無窮。清政府接到報告後，立即命令留學生全部回國。詹天佑還算幸運，是取得學位的兩個學生中的一個。他抱著滿腔的熱情和希望，要把自己學到的本領獻給祖國。
1881年7月，詹天佑和他的同學們回到祖國。10月間，他被派到福建水師學堂學習駕駛海船。原來清政府以為，大多數留學生沒有完成學業，所以在國內讓他們重新學習。詹天佑學的是鐵路，竟派他去學輪船駕駛。詹天佑無法反對，便在水師學堂裡認真學習。第二年6月，他以一等第一名的成績畢業。11月，就被派到“揚武”號軍艦上擔任駕駛官。
中法戰爭爆發後，法國軍艦開進馬尾港，包圍了福建水師。中國軍艦卻接到命令，不準先開火。於是，福建水師處於十分不利的地位。詹天佑見情勢危急，就對管帶張成說：“法國軍艦來了這麼多，顯然是想消滅我們。我們雖然接到不準先開火的命令，但也不能不做好應戰準備。”張成也贊成這個意見，所以命令全艦士兵嚴陣以待。果然，法國軍艦偷襲，“揚武”號軍艦立即發炮回擊，在閩江口與法國軍艦激戰近6個小時。這艘軍艦上有5個學生，他們都學有所長，所以在戰鬥中技術操作非常熟練。詹天佑的表現尤其突出。在戰鬥中他毫不畏懼。當軍艦中炮，有士兵落水時，他奮不顧身地跳進水中，仗著留學時學得的高超的游泳技術，一連救起了好幾個人。但是，由於法國軍艦多，中國艦隊的指揮也不恰當，這一仗，中國水師的損失很大。
1881年，詹天佑忽然接到命令，要他離開福建水師，前往中國鐵路公司工作。詹天佑高興極了，鐵路是他的專長，現在終於有了發揮他專長的機會。詹天佑被公司總辦伍廷芳聘請為“幫工程師”，作為外國工程師的助手，參加修築唐山到天津的鐵路。在鋪設唐津鐵路的工程中，詹天佑直接到工地指揮施工，從早到晚，從不吝惜自己的精力。經過80天的努力，鋪軌工程完成了。
這條鐵路的關鍵性工程，是灤河鐵路。1892年，這項工程開始。由於灤河河床的泥水很深，打樁難度很高。當時，英國的施工技術是世界第一流的，金達便決定由英國人喀克斯包工承建。可是施工時，還是遇到前所未遇的困難;加上施工時水漲流急，喀克斯失敗了。在無法進展的情況下，他請日本人來幫忙。日本人的技術並不比英國人高明，對此也無能為力。喀克斯又只得再將工程包給德國。德國工程師採用了空氣打柱法的新技術，但結果還是失敗了。
詹天佑接受任務後，立即仔細研究了灤河河床的地質構造和其他方面的資料，並且穿著工作服，到施工現場進行實地調查和測量。他發現，在這裡打樁，確實難度極大，怪不得英、日、德三國工程師都失敗了。經過反覆比較，他選準了合適的築橋地點，並決定用壓氣沉箱法進行橋墩施工。這種方法，在中國從未使用過，是否能成功沒有把握。因此，詹天佑加倍小心，仔細計算。當潛水員潛入水底施工時，他常常站在現場的岸上，隨時研究和解決出現的問題。終於，這個新方法試驗成功了。橋基工程順利完成後不久，灤河大鐵橋的工程也全部按期完成。這一成功，解決了唐津鐵路的關鍵問題，詹天佑也因這次成功而名聲大振。那些富有經驗的外國工程師，不得不佩服這位初露才華的中國工程師。 1905年5月，詹天佑接受清政府的一項任命，擔任由北京到張家口的京張鐵路總辦兼總工程師。以前，中國的鐵路的建築都是由外國人承包的，京張鐵路則是中國自己修築的第一條重要幹線。因此，詹天佑肩上的擔子不輕。京張鐵路全長200公里，並不算長。但是它要經過內外長城間的燕山山脈，沿途要穿越許多險峻的山嶺。其中尤以南口到岔道城的“關溝段”最為險峻，工程十分艱難。詹天佑負責修建這條鐵路的訊息傳開後，國內外許多人都認為，這條路不可能修成。接著，他便全力投入了築路工程。當時中國非常貧窮，要花費大量的資本投入這條鐵路，那是不可能的。因此詹天佑在築路時，提出了三項修築要求：花錢少，質量好，完工快。施工中首先要解決的，是找一條最合理的工程路線。詹天佑搜尋了大量的文字資料，還親自訪問沿線的居民。他冒著塞外的寒冷和風沙，騎著一頭小毛驢，帶著助手們在崎嶇的山路上奔波。白天翻山越嶺，測繪地形，晚上在油燈下核對資料，繪圖計算。他幾乎走遍了整個京張路工程地區，取得了全部有關資料和資料，制定出三條線路方案，最後選擇了最理想的一個。線路大多在崇山峻嶺中穿行，這給工程造成了無數困難。為了克服這些困難，詹天佑把總工程師辦公處搬到工地上，與工程人員一起工作，及時解決難題。
八達嶺是個天險，鐵路經過這裡，只能挖掘隧道。隧道深長難挖，詹天佑經過仔細考慮，決定採用分段施工和中距離鑿進的方法。分段施工，就是分別從計劃的隧道的兩端向中間同時鑿進;中距離鑿進法，則是在計劃的隧道中段上面開一口大井，直達隧道的深度，然後再向洞的兩端開鑿。採用這種方法，時間快，但是必須做到十分精確，為了保證精確無誤，詹天佑總是親自定線、定位，甚至檢查每個炮眼的直徑、距離和位置。過八達嶺，全用隧道是不可能的。隧道只能有一定的長度，還需要設法使火車安全地爬上八達嶺，這就需要解決坡度大的難題;尤其是青龍橋地段，山多坡陡，火車爬上來既困難又危險。為了解決這一難題，詹天佑做出了一項創造：他運用“折反線”的原理，設計出了一段“人”字形的線路，使火車沿著斜的陡坡上山;經過一段距離後再折返，朝另一方向斜著爬坡。這樣就降低了坡度，不用挖隧道，由兩臺機車一拉一推，就可以使列車安全上坡。經過詹天佑和全體技術人員、工人4年的辛勤勞動，京張鐵路終於在1900年8月全線竣工，比計劃提前了兩年，還剩餘了28萬餘兩白銀。這條200公里長的鐵路，共有4條隧道，總長1700多米，架橋125座，涵洞200多個，動土石2億立方，工程是十分浩大的，當時有人稱讚它是“祖龍望而奪氣”，意思是說，造萬里長城的秦始皇看到這條鐵路，也要被嚇倒的。詹天佑出生在廣東，前來參觀的廣東代表興奮地向他祝賀說：“詹總辦獨運匠心，不借助外國人一分一毫的力量，造好了這條鐵路，為中國人揚眉吐氣。”詹天佑聽了這些讚揚的話，謙虛地回答：“這是造鐵路的一萬多員工的力量，不是我個人的力量。”
1919年4月24日，詹天佑因病去世，年僅58歲。他在世上的時間不算長，但在中國鐵路史上做出的貢獻，卻是十分巨大的。