1872年（同治十一年），年仅十二岁的詹天佑，报考了清政府在香港筹办的“幼童出洋预习班”，在很短的时间内就将语言障碍克服，表现出了惊人的学习力，除了学习成绩名列前茅，钓鱼、游泳、打棒球、滑冰等体育运动也很擅长。
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1878年，詹天佑以优异的成绩完成了中学的所有课程，并且考取了耶鲁大学土木工程系的“铁道工程学”专业，1881年又于耶鲁大学以优异的成绩毕业，于同年回国。
当时由于封建顽固派对修建铁路的极力反对，所以导致英雄无用武之地，詹天佑被迫改学驾驶海船，耽误了七八年的时间。回国之后，詹天佑去了马尾船政前学堂进行学习，之后被派往了福建水师旗舰“扬武”担任炮手，还参加过马尾海战，战事结束后被调入了黄埔水师学堂任教习一职。
1887年，在天津成立了“中国铁路公司”，次年，詹天佑经过留美同学邝孙谋的推荐，开始了他精通的铁路工程工作，负责修筑塘沽到天津的铁路，仅用70多天就完成了铺轨工程，后来又参加修筑天津至山海关的铁路，需要在滦河修一座铁桥，面对英、日、德工程人员建造这座铁桥相继失败的前提，他毅然挺身而出，最后出色地完成了全部工程任务，第一名铁路工程师，名副其实。