詹天佑8歲那年進私塾讀書，他天資聰慧，求知慾強，可是在這裏，塾師所講的都是四書五經和八股文，老是“之乎者也”“天地君親師”一類陳舊腐朽的東西，枯燥無味，束縛兒童的身心發展。詹天佑對這一套膩煩透了。
他最感興趣的是工程、機械等新知識，他用泥巴捏火車，做機器。身上老是裝着小齒輪、發條、螺絲刀、鑷子等等，一有空就擺弄着玩。小夥伴們都稱他是“機器迷”。
一天，小天佑對他家的鬧鐘突然發生了興趣，他想，這個方方的東西為什麼能滴嗒滴嗒走個不停？為什麼它能按時響鈴？為什麼它能始終這麼均勻地走？家裏的大人都有事出去了，小天佑決定要打開這個寶貝匣子，看看其中的奧祕。他把鬧鐘拿到隱蔽的地方，把零件一個一個拆開。他自己的腦筋也動開了：這一個零件是幹什麼用的？這一個零件和那一個零件為什麼咬合在一起？那一個零件是什麼力量使它擺動起來的呢？拆着，思考着，一直到把整個鬧鐘拆到不能拆為止。一大堆散碎的零件怎麼按原樣裝起來呢？詹天佑憑着他那良好的記憶力，居然一件一件裝好了，他也弄清了鬧鐘的構造與原理。
1871年，清政府派我國第一位畢業於美國耶魯大學的容閎負責籌辦幼童留學預備班。11歲的詹天佑聽到後懇求父母讓他參加考試。因為家貧，正在為詹天佑前途而憂愁的父母一聽説是官費，便欣然答應了，但是他們又擔心詹天佑年紀太小考不取，可詹天佑滿有信心地説：“保證馬到成功。”考試結果一公佈，詹天佑成績優異，名列前茅，被錄取為第一批出國留學的預備生。
1872年，第一批留洋學生共30人登上征程了，詹天佑第一次乘輪船、坐火車，對這些洋玩藝非常着迷，中國人為什麼不能製造火車、輪船？他心中頓時有一種羞辱感，他下定決心，一定要發奮求學，用科學來振興祖國。
在美國，為了學好英語，詹天佑住到美國市民家裏。第二年他考進了西海文國小，僅用3年就國小畢業了，2年中學畢業。他考取耶魯大學土木工程系，專攻鐵路工程專業。他發誓一定要讓中國也有自己的火車、輪船。在這裏，他少年的興趣得到了充分發揮，加上他刻苦鑽研，各門成績一直名列前茅。
1881年，詹天佑回到了祖國的懷抱。1905～1909年主持修建我國自建的第一條鐵路-京張鐵路。在修建的過程中，詹天佑因地制宜運用“人字形”
線路，減少工程數量，並採用“豎井施工法”開挖隧道，縮短了工期，在中國鐵路史上寫下了光輝的一章。