詹天佑和他的同學回國以後，來到天津，清政府的北洋大臣李鴻章接見了他們。接見罷，李鴻章就傳令這批留學生暫住天津，聽候分配。
詹天佑借這個機會，去看望了天津水師學堂的教官嚴複。嚴複是位有正義感的人，詹天佑把他奉為精神上的老師。兩人一見，格外投機。詹天佑向他表白了自己立誌改變祖國落後狀況的決心，他對嚴複說：“改造中華，匹夫有責，我願將一腔熱血獻給祖國！”他的崇高誌向，受到嚴複的讚許。
誰知分配名單一公布，大出人的意料：詹天佑被分配到福州船政局水師學堂，去學習海船駕駛。這如同給了詹天佑當頭一棒。他痛苦地感到：學非所用，多年的功夫白費了，多年理想破滅了。
就在他痛不欲生的時候，嚴複來了。他勸導詹天佑說：“朝廷腐敗，權貴當道，無法論理，還是忍耐前往。借此機會，可以多讀些中外科技典籍，將來會有出頭之日的。”
詹天佑感激嚴複關懷，他對著知己，無比悲憤地說：“偌大之中華，需人才迫在眉睫，有真才實學者被貶到異地，飽食終日者獨占顯位，我之中華何日能改變任人宰割的狀況啊！”
經嚴複再三勸說，詹天佑隻得忍氣吞聲去福州水師學堂報到。
詹天佑來到水師學堂後，了解到這裏是培養海軍軍官的，他想：“這也是個學習的好機會。”
他學習海船駕駛技術非常刻苦，每次作業都十分認真。一年之後，他以第一名的成績取得了畢業證書，隨之被分配到福建水師的旗艦“揚武號”上擔任駕駛官。
1884年，中法戰爭爆發了。這是法國侵略者妄圖在中國建立他的殖民地的戰爭。
法國海軍大將孤拔率領由13隻軍艦組成的艦隊，向福建的馬尾港開來。當時許多愛國將士主張抵抗，但是，把持軍事大權的李鴻章一夥害怕法國侵略者，一心希望議和。他命令水師，不要阻擋法國軍艦開進馬尾港，並說：“不許動手開炮，不然，就是打了勝仗也要殺頭。”
如此失職辱國的“軍令”，死死地捆住了福建水師的手腳。我海軍將士，眼睜睜地看著法國軍艦耀武揚威地開進了閩江口。
這時，福建水師的11隻軍艦，全部停在港內。詹天佑敏銳地看到了形勢的嚴重。他悄悄地告訴“揚武號”旗艦的管帶（艦長）：“來者不善，善者不來，法國兵艦氣勢，居心叵測。我水師雖然奉到命令，不準先開火，然而防賊之心不可無，一定要做好還擊準備，否則，法國兵艦一開炮，我艦措手不及，必將全軍覆沒。”
管帶張成覺得詹天佑的分析有理，便鄭重地說：“你說得對，有備無患，絕不能任人宰割。”
他下令全艦官軍注意監視，提高警惕，做好戰鬥準備。
果然不出所料，1884年8月23日，法國軍艦乘福建水軍麻痹之機開了火。立時，有幾艘艦中炮起火，情況十分危急。
“揚武號”兵艦上的愛國官兵在詹天佑的帶領下，立即還擊，與敵艦展開激戰。敵艦派出五隻軍艦圍攻“揚武號”，詹天佑麵無懼色，鼓舞官兵說：“弟兄們，為國捐軀之時到了。打！狠狠地打呀！”
他憑著自己平時苦練出來的高超駕駛技術，穩健沉著，與敵艦周旋。鏖戰了5個小時又45分鍾，已打傷打沉了幾隻敵艦。正在敵艦驚慌失措之時，“揚武號”不幸被敵艦施放的水雷打中，艦幫進水，艦體下沉。在這生死攸關的時刻，詹天佑讓管帶和船員乘救生船迅速離開，自己則憑著平時練就的本領，盡量延緩軍艦下沉速度。直到全艦官兵全部安全撤退後，他才縱身躍進大海，奮力遊到岸上。