1872年，容閎在香港主持選拔幼童工作，詹天佑趕到香港參加考試。容閎見詹天佑聰明敏捷，回答問題井然有序，當時立即予以錄取。同年四月，詹天佑跟隨容閎離開香港，先到上海幼童出洋肄業局所辦的預備學校學習。在上海經過大約四個月的學習，做好出國的必要準備。同年8月21日，在駐洋委員陳蘭彬的率領下，啟程前往美國。這次和詹天佑同去的共有三十名幼童，是中國第一批官費留美學生。

1878年，詹天佑以全優的成績，從美國紐海文中學畢業，他的學習成績名列全校第二名。同年，在大學入學考試中，被美國耶魯大學土木工程系錄取。當時土木工程系分為房屋、道路、鐵道、隧道、橋樑、河港和市政等專門科目，詹天佑則專攻鐵路。

1881年5月，以「碼頭起重機的研究」獲得大學畢業。當初，按容閎的計劃，幼童出洋留學分四批，共一百二十人，期限15年。但就在詹天佑從耶魯大學畢業的第一年，清政府藉故中止這項計劃的實施，決定撤回官費留學生。同年秋天，詹天佑等人返回中國。

主要建設：

1、鐵橋工程：

1892年，鐵路修至灤河，必須架橋。詹天佑吸取英、日、德工程師失敗的教訓，又親自傾聽參加過施工的技術人員的意見，並考察灤河的地質土壤情況，取得第一手資料。詹天佑經過反覆比較英、日、德三國工程師的設計方案和打樁方法後，決定採用新的壓氣沉箱法修築橋墩。終於，戰勝灤河的急流和泥沙，建成灤河鐵橋。詹天佑在1894年獲選為英國土木工程師學會會員，開始在國際上享有聲譽。

2、新易鐵路：

詹天佑擔任新易鐵路的總工程師，此條鐵路全長四十二多公里，要在四個月內完成，從測線、築路、鋪軌到通車，按經驗是不可能完成的。加上動工的時候，正值隆冬季節，完成任務確實不容易。詹天佑帶領全體工作人員，設法完成，克服困難。1903年4月，新易鐵路按質按時完成通車。由於此條鐵路是華人自己設計建築，鼓舞華人用自己的人力、物力、財力建設鐵路的勇氣和信心，慈禧太后以道臺官銜賞賜給詹天佑。

3、京張鐵路：

詹天佑從事修建鐵路的歷程中，最艱鉅且最著名的是京張鐵路。他組成一支工程技術隊，由北洋武備學堂附設鐵路工程班學員、山海關路學堂畢業生、關內外鐵路熟練工人組成，並加以嚴格培訓，後來投入鐵路建設工程的重要職務。由於居庸關、八達嶺兩處關鍵工程的正確設計和突破，1909年7月4日，京張鐵路鋪軌至張家口，9月19日竣工，9月24日全線通車，原定6年才能完成的任務，在不到四年的時間就提前完成，創造中外築路史上的一大成就。

4、其它：

詹天佑從事中國鐵路建設，除主持京張鐵路外，還先後參加關內外津盧、西陵支線、洛潼、滬寧、道清、萍醴、津浦、潮汕、張綏、粵漢、川漢、中東等鐵路的籌建工作。