1881年歸國，與留美15名同學被送入船政後學堂學習駕駛，獎授五品軍功。1882年秋以成績第2名畢業，登揚武艦實習。1884年2月任後學堂教官。同年8月23日，與當地軍民壹道，參加抗擊法國侵略軍的戰鬥，搶救死傷人員。同年底，調廣州任博學館（後改稱水陸師學堂）教官。
1888年，入中國鐵路公司任職，開始獻身鐵路事業，壹生成就卓著，被譽為中國“鐵路之父”。1905年被委任為京張鐵路會辦兼總工程師，次年升任總辦。京張鐵路工程困難重重，他以驚人的毅力，攻克險峻的關溝段，鑿通號稱天險的八達嶺隧道，解決青龍橋坡道難題，提前兩年於1909年全線通車，成為中國自建的第1條鐵路，清政府授他工科進士，以表彰其功績。同年秋，赴宜昌任川漢路總工程師。1910年任粵漢鐵路粵路總理，1912年任粵漢路會辦、交通部技監等職。同年任中華工程師學會會長。1913年主持編撰《京張鐵路工程紀要》和中國第壹部工程技術詞典《華英工程詞匯》及《京張鐵路標準圖》等書。他曾發明火車車廂間掛鉤，國際上稱為“詹天佑掛鉤”。周恩來曾稱贊他所取得的成就是“中國人的光榮” 。
1919年4月24日，因積勞成疾。在漢口不幸病逝，終年58歲。中華工程師學會為表彰他修建京張鐵路的功績，在青龍橋建立銅像，以誌紀念。
我的比樓上的簡單