在美國，出國預科班的學生們目睹了北美和西歐科技的巨大成就，驚嘆於機械、火車、輪船和電信制造業的飛速發展。有些同學對中國的未來持悲觀態度，但詹天佑卻堅定地說:“未來，中國也會有火車和輪船。”抱著為祖國繁榮而努力學習的信念，他刻苦學習，以1867的優異成績從紐黑文畢業。同年5月，考入耶魯大學土木工程系，專業為鐵路工程。大學四年，詹天佑學習刻苦，畢業考試成績名列第壹，成績優異。1881年，中國回國的120名留學生中，只有兩人拿到了學位，詹天佑就是其中之壹。
回國後，詹天佑滿腔熱情地準備把所學知識貢獻給祖國的鐵路事業。但清政府洋務學堂的官員迷信外國，修建鐵路時壹味依賴洋人，不顧詹天佑的專業特長，把他送到福建水師學堂學習駕駛海船。1882 11被派往旗艦“吳恙”號擔任駕駛軍官，指揮演練。1883年，中法戰爭爆發。第二年，蓄謀已久的法國艦隊陸續進入岷江，蓄勢待發。然而，掌管福建水師的投降派船政大臣何張茹卻置若罔聞，甚至下令:“不準先開火，違者即使勝利也要斬首！”這時，詹天佑私下對“吳恙”號船長張誠說:“有許多別有用心的法國軍艦。雖然我們接到了不首先開火的命令，但我們絕不能提前采取預防措施。”由於詹天佑的警告，吳恙非常警覺，準備戰鬥。當法國艦隊發動奇襲時，詹天佑冒著猛烈的炮火，冷靜機智地指揮著“吳恙”號從左至右前進；躲避敵人炮火，奪取戰機，用尾巴轟擊法國指揮艦“沃爾特”號，險些炸死法國海軍遠征隊指揮官。對於這場海戰，英國商人在上海創辦的紫林西寶，也不得不在不同的地方感到驚訝和稱贊:“西方人沒想到中國人會打得這麽勇敢。在“吳恙”號軍艦上的五名學生中，詹天佑是最勇敢的。他面對敵人無所畏懼，在生死存亡的關鍵時刻，他壹如既往的冷靜，他鼓起勇氣在水中救了很多人……”
從戰後到1888，詹天佑幾經波折，調入中國鐵路總公司任工程師，這是他投身中國鐵路事業的開始。
上任不久，詹天佑就遇到了考驗。當時天津到山海關的津冀鐵路修到灤河，還要修壹座跨灤河的鐵路橋。灤河河床沈積物很深，遇到漲水和急流。鐵路橋由號稱世界壹流的英國工程師設計，但失敗了；後來請了日本工程師做包工頭，也不行。最後德國工程師出來了，很快就被打敗了。詹天佑讓中國人自己做，負責該項目的英國人無奈，只好同意詹天佑嘗試。
詹天佑是壹個認真踏實的人。在分析總結了三位外籍工程師失敗的原因後，他穿上工作服和工人們壹起進行了實地調查，並做了近距離調查(P116)。夜晚，借助昏暗的油燈，對灤河河床的地質結構進行了仔細的研究、分析和反復的比較，最終確定了橋墩的位置，並大膽決定采用壹種新的方法——“氣壓沈箱法”進行橋墩的施工。詹天佑真的成功了，灤河大橋建成了。這件事震驚了世界:壹個中國工程師居然解決了三個外國工程師都無法完成的大問題。
詹天佑首戰告捷後，馬上就遇到了更嚴峻的考驗。1905年，清政府決定修建中國第壹條鐵路——京張鐵路。英國和中國都想幹預，但由於俄羅斯人民的強烈反對，他們的嘗試失敗了。英俄使節以威脅的口吻說:“如果京張鐵路是俄羅斯工程師自己修的，那就與英俄無關了。”他們認為，這樣壹來，中國就不可能修建鐵路了。在這個關鍵時刻，詹天佑義無反顧地接受了這個艱巨的任務，全權負責建設京張鐵路。消息傳來，壹些帝國主義者和英國報紙諷刺說:“能在中國修建這條鐵路的工程師還沒有在子宮裏出生呢！中國人想在沒有外國人的情況下修建鐵路，就算不是夢想，至少也要50年。”他們甚至攻擊身為總經理和總工程師的詹天佑“傲慢”、“不自量力”。迫於壓力，詹天佑堅持不任用外籍工程師，並說:“中國幅員遼闊，資源豐富，壹路走來工作都要依靠外人，我感到慚愧！”“中國已經覺醒了，中國人會用自己的工程師和自己的錢來修建鐵路。”
1905年8月，京張鐵路正式開工，緊張的勘探和選線工作開始。詹天佑背著測量隊和儀器，沒日沒夜地在崎嶇的山上跑來跑去。壹天傍晚，猛烈的西北風在八達嶺地區咆哮著，夾帶著沙塵呼嘯而過，讓人睜不開眼睛。勘測隊匆忙完成工作，填好測量數字，從巖壁上爬下來。詹天佑接過筆記本，翻看數字，疑惑地問:“數據準確嗎？”？“差不多了，”測量員回答。詹天佑認真地說:“技術的第壹要求是精準，不能有壹點含糊和輕率。像‘大概’和‘差不多’這樣的說法不應該出自工程師之口。”然後，他拿起儀器，冒著風沙，吃力地再次爬到巖壁上，仔細復測，糾正了壹個錯誤。當他下來時，他的嘴唇凍得發紫。
很快，勘探建設進入最困難的階段。在八達嶺和青龍橋，有重疊的山脈和陡峭的墻壁掛著巖石，將開辟四條隧道，其中最長的超過1000米。經過精確的測算，詹天佑決定采用分段施工的方法:從山的南北兩端同時鑿，在山的中間開壹口大井，再在井內從南北兩端鑿。這樣既保證了施工質量，又加快了工程進度。挖坑的時候，用手挖了很多石頭，把噴湧的泉水壹個個挑出來。詹天佑作為總工程師，沒有架子，和工人們壹起挖石頭、挑水，滿臉都是泥和汗。他還鼓勵大家說:“京張鐵路是我們用自己的人和自己的錢修建的第壹條鐵路。全世界的眼睛都在看著我們，我們必須成功！”“無論成敗，絕對不是我們自己的成敗，而是我們國家的成敗！”
為了克服陡坡行車困難，保證列車安全爬上八達嶺，詹天佑創造性地利用“折返線”原理，在山區陡峭的青龍橋路段設計了壹條人字形線路，減少了隧道開挖和坡度。列車到了這裏，會配合兩臺大功率機車推拉，保證列車上坡安全。
詹天佑曾對整個工程提出三點要求:“錢少、質量好、完工快”。經過工人們的幾番鬥爭，京張鐵路終於在9月1909通車。原計劃六年完工，卻提前四年完工，工程造價只有老外預估的五分之壹。壹些歐美工程師乘車參觀後向詹天佑致敬。但詹天佑謙虛地說:“這是京張鐵路壹萬多員工的力量，不是我個人的功勞。榮耀應該屬於每壹個人。”
京張鐵路建成後，詹天佑繼任粵漢鐵路監理兼總工程師。這時，美國決定授予他工程學博士學位，並要求他親自赴美參加授銜儀式。為了全力投入祖國的鐵路建設，他放棄了這壹榮譽。
辛亥革命後，為了振興鐵路事業，詹天佑與同事成立了中國工程學會，並升任會長。在此期間，他對年輕工程技術人員的培養傾註了大量心血。除了以身作則，他還鼓勵年輕人“為發明而努力學習”，並要求他們不要“厚此薄彼，不要沽名釣譽”。以誠取人，不以己為鑒。"
詹天佑從事鐵路行業30多年，當時的中國幾乎每壹條鐵路都有不同程度的關系。晚年積勞成疾1919。周恩來同誌曾高度評價詹天佑的功績，稱他是“中國人民的光榮”。