經中國在美國留學第一人容閎的倡導下，清朝於1872至1875年，實施了中國少年西方留學教育計劃，先後派遣120名幼童赴美國留學，詹天佑就是其中最著名的一個。
説到詹天佑留學，有一段趣聞。1870年，容閎將派遣幼童出國留學的計劃報曾國藩審定，曾國藩同李鴻章商量後，呈總理各國事務衙門，再上報朝廷，輾轉多次，終獲批准。隨後，清朝以陳蘭彬和容閎為正副委員，到上海設立出洋局，辦理招生事宜。但是，那個時候到歐美留學，還不是人們的嚮往，當時又沒現代宣傳媒介，知道此事的人並不多，但即便知道此事的人，也因為送孩子出洋要十多年後才能回來，一則不捨，二則擔心，所以，無論官宦子弟還是旗人子弟，極少報名者。不得已，容閎又到香港去招生。
詹天佑1861年出生於廣東南海縣，父親詹興洪是個普通茶葉商人。詹興洪有個富翁朋友叫譚伯村，家財豐，見識廣，思想新，極力鼓動詹興洪送兒子到香港去應考，詹興洪猶豫再三，沒有同意。譚伯村見説不動，又施一法，答應將自己的女兒許配給詹天佑。詹興洪見朋友寧願將女兒下嫁給自己這個如果考上留學、就要離開十幾年的兒子，可見其心之誠，便高高興興送兒子到香港應考，終於考取了。
1872年8月30日，11歲的詹天佑，由陳蘭彬帶領，隨清朝第一批30名赴美留學幼童一起，從上海坐船漂洋過海，到了美國。這30名中國幼童，分別在美國的教師、醫生、牧師等家庭中，先學習美國語言，瞭解美國生活方式，再由小學、中學、大學，接受美國的文化教育。
1881年，清政府決定中斷幼童留學計劃，撤退全部留美學生，幸好，在撤退前，詹天佑已經拿到了耶魯大學的畢業評書，而且，詹天佑是這批留學幼童120人中，在美國讀完大學拿到畢業證的僅有的2人之一。另一個是歐陽賡。
回國後，詹天佑先分配在海軍，後在福州船政局、廣東博學館任教。1887年，詹天佑果然與譚伯村的女兒譚菊珍結為了夫妻。婚後，詹天佑正式進入中國鐵路行業。當時，中國才剛剛開始修建鐵路，而且全部依賴洋人，詹天佑配合洋人工作。
1904年，清朝決定自籌經費，且由本國的工程師負責建設北京到張家口的京張鐵路，只有鐵軌、橋樑、機器向洋人購買。詹天佑有幸成為了官辦京張鐵路會辦兼總工程師。
1905年10月，京張鐵路正式開工，沿途涉及四處山體，需要開鑿隧道，在當時這幾乎是不可能完成的任務，但詹天佑使用人工和炸藥，從山體兩端開鑿，最後，隧道打通，無論直線，還是水平高度，均實現高度吻合。1907年7月，京張鐵路全線通車。
京張鐵路的建成，使詹天佑在鐵路界聲名鵲起，各省紛紛步京張鐵路之後，開始興建鐵路，也爭先聘請詹天佑擔負工程師，此後，詹天佑便一直在鐵路工地忙碌，終於積勞成疾，59歲便英年早逝了。詹天佑為中國鐵路建設作出了巨大貢獻，被譽為“中國鐵路之父”。