詹天佑非常注意鍛煉身體。他對同學說：要學好功課，掌術科學技術，學到救國本領，非鍛煉身體不可，不洗去“東亞病夫”的恥辱，什麼都談不上。同學們經常能在運動場上見到他的身影，漸漸地他從體弱變得身強力壯了。每逢假期，詹天佑和他的同學還到美國中部和西部去旅行參觀。強健的體魄，不僅使詹天佑在學習中始終保持旺盛的精力，還為今後的了良好的基礎。
1878年，詹天佑以全優的成績，從紐海文中學畢業，他的學習成績名列全班之首和全校第二。同年，在大學入學考試中，詹天佑是最早通過大學考試及格的中國學生之一，他被美國著名的耶魯大學錄取，進人土木工程係學習。當時土木工程係有房屋、道路、鐵路、隧道、橋梁、河港及市政等專科，詹天佑專攻鐵路。他發憤學習，刻苦鑽研，各門課程成績優異，特別是在數學方麵更為突出。他認為“數學是科學技術的基礎，隻有打好這個基礎，才能為我中華學得技術”。
詹天佑非常關心祖國的命運。美國殖民主義者，為了開發礦業，修築鐵路，從中國拐運大批華工，讓他們從事奴隸般的苦役，並進行殘酷虐待，詹天佑對此極其憤慨。1874年，日本侵犯中國台灣，遭到台灣軍民堅決抵抗，日軍傷亡重大，無法前進。由於英、美、法等國出麵“調停”，日本向中國勒索50萬兩白銀後，從台灣撤出，隨之日本又吞並了中國藩屬琉球。消息披露後，詹天佑的思想受到很大刺激。他感覺到祖國因為貧弱而遭受種種不幸，立誌學成後回國，用自己的才能和智慧去報效祖國。在科學知識不斷豐富的同時，詹天佑的愛國熱情也逐漸增長起來。
1881年5月，詹天佑大學畢業。他的畢業論文《碼頭起重機的研究》得到很高的評價，使許多著名的教授、學者感到震驚。他在畢業考試中，數學考試取得第一名，獲得了學校頒發的獎狀。在畢業答辯中，詹天佑對答如流，有理有據，得到學士學位。當時耶魯大學校長樸魯稱讚詹天佑等這批留學生“人人都能珍惜時間，重視研究學術，所以各門學科都有進步，成績極佳。”
當初，按容閎的計劃，幼童出洋留學分4批，共120人，期限l5年。但是，就在詹天佑從耶魯大學畢業的這一年，清政府借故中止了這一計劃的實施，決定撤回官費留美學生。同年秋，詹天佑等人返回祖國。
詹天佑等人坐船先到達上海，然後去天津報到。清政府的北洋大臣李鴻章接見了他們。這批在美國留學l0年的青年，早已剪掉了辮子，穿慣了西裝。可是，李鴻章接見他們時，卻強令他們穿起長袍馬掛，戴上長長地拖在腦後的假發辮。
詹天佑學的是土木工程，專攻鐵路專業。他懷著為祖國鋪設鐵路的期望，希望早日參加鐵路建設工作。可是清政府對於詹天佑這樣一位鐵路工程的優秀人才毫不愛惜，把他分配到福州船政局水師學堂，學習海船駕駛，這猶如一桶冷水澆到詹天佑頭上。當時，天津水師學堂教官嚴複是一個很有正義感的人，他親自找到詹天佑，耐心地勸導他說：“朝廷腐敗，權貴法講理，還是忍耐著一點，借此機會，可以多讀一些書籍，將來會有出頭之日的。”詹天佑聽從了嚴複的勸告。
詹天佑進入福建水師學堂以後，“由陸到海”，進一步豐富了詹天佑的科學知識，擴大了知識範圍。無論在聽課、讀方麵，作業方麵，都很努力刻苦，經過一年的學習，詹天佑以第一名的優異成績，結束了學業，從福建水師學堂畢業。
1882年11月，詹天佑以“宣力（就是效力的意思）有年，技藝優秀”，得到朝廷的嘉獎，受賞五品頂戴的官職，並被分配到福建水師（海軍）的旗艦（指揮艦）揚武艦上擔任駕駛官，指揮操練。他經常對水手們說：“為了保衛海疆，我們一定要練好本領。”在操練時，他總是嚴肅認真，一絲不苟，全艦水手技術提高很快。
1883年，中法戰爭爆發。1884年4月，法國艦隊共13艘在海軍司令孤拔率領下，進犯中國東南沿海。不久，法艦又進入福建閩江口，停在福建水師基地馬尾（又叫馬江）軍港，監視福建水師。對法國的侵略，北洋大臣李鴻章主張妥協退讓，下達命令：“不許先動手開炮，不然，就是打了勝仗，也要殺頭。”福建船政大臣何如璋按照李鴻章的命令，不作戒備，還禁止軍艦移動。同年8月23日，法艦向馬尾港內的中國軍艦發動襲擊，福建水師倉促應戰。福星艦衝人敵陣，同法艦激戰，忽然火藥艙中彈爆炸，全體官兵壯烈犧牲。振威艦中炮，艦身逐漸下沉，但是士兵們繼續發炮射擊，最後一炮重創敵艦。詹天佑也參加了這場激戰，敵。法軍5艘軍艦對揚武艦圍攻，在侵略者麵前，詹天佑毫無懼色。當揚武艦被法軍水雷擊傷，船身逐漸傾斜，船體逐漸下沉，在情況十分危急的時刻，詹天佑同艦上官兵仍用尾炮擊中法軍旗艦。他的愛國精神和英勇行為，傳遍廣東家鄉，連英商在上海所辦的報紙也吐露出驚歎的詞語。他的名字開始為人們所注目。
馬尾海戰後，詹天佑接受兩廣總督張之洞的邀請，回到廣東擔任博學館教官。在執教期間，他奉命測繪廣東沿海險要圖，這是一項十分艱巨而又複雜的任務。詹天佑把鐵路勘測的科學方法，創造性地運用於海岸線的測量，並繪成地圖。可惜這份珍貴的科技文獻已經散失，沒有保存下來。
1887年，詹天佑與譚伯村的第四個女兒譚菊結婚。婚後生活美滿，共有3個兒子、5個女兒，是個幸福的家庭。
1888年，詹天佑在“學非所用”8年後，由留學時的同學鄺孫謀推薦，受聘為中國鐵路公司工程師，這是詹天佑致力中國鐵路事業的開端。他途經上海的時候，懷著不平靜的心情，觀看了1876年修建的中國第一條鐵路——淞滬鐵路的遺址。這條鐵路是由英國“怡和洋行”在中國修建的，全長14公裏。後來，清政府借口它是“祖宗沒有過的怪物”，花了28萬兩銀子把這條鐵路購買回來，然後將這條修建不久的鐵路拆除、毀掉，將機車和車輛沉入台灣打狗湖湖底。
詹天佑生活的時代，正是中華民族飽受帝國主義侵略的時代。中國鐵路建設，受到西方列強的控製，因為修建鐵路的錢款是向外國借來的，所以負責鐵路工程的總工程師和工程師，都由外藉人員擔任。中國工程技術人員雖有不少人才，但是都擔任不重要的職務，無法施展才能。詹天佑也不例外，但是他想到的是使中國早日走上近代化的道路，為祖國修建鐵路貢獻自己的技術技術。
中國鐵路公司是一個官督商辦的企業，被英國所控製。總工程師是一個英國人，叫金達。金達對詹天佑非常冷淡。詹天佑到任後，沒有受到重用。他的職務隻是幫工程師，作為分段工程師的助手。他被分配擔任指揮（天）津、（塘）沽鐵路的鋪軌工程。詹天佑一到工地，換上工作服，拿起工具和工人們一起幹起來。工人們看到詹天佑沒有一點工程師的架子，和他們一起流汗，還主動與他們打招呼，都很受鼓舞，個個幹得勁頭十足。由於詹天佑的身體力行，工程進度非常迅速，隻用了80天時問，完成了50多公裏的鋪軌任務。鐵路平穩堅實，初步顯示了詹天佑的專業才能。