詹天佑8岁那年进私塾读书，他天资聪慧，求知欲强，可是在这里，塾师所讲的都是四书五经和八股文，老是“之乎者也”“天地君亲师”一类陈旧腐朽的东西，枯燥无味，束缚儿童的身心发展。詹天佑对这一套腻烦透了。
他最感兴趣的是工程、机械等新知识，他用泥巴捏火车，做机器。身上老是装着小齿轮、发条、螺丝刀、镊子等等，一有空就摆弄着玩。小伙伴们都称他是“机器迷”。
一天，小天佑对他家的闹钟突然发生了兴趣，他想，这个方方的东西为什么能滴嗒滴嗒走个不停?为什么它能按时响铃?为什么它能始终这么均匀地走?家里的大人都有事出去了，小天佑决定要打开这个宝贝匣子，看看其中的奥秘。他把闹钟拿到隐蔽的地方，把零件一个一个拆开。
他自己的脑筋也动开了：这一个零件是干什么用的?这一个零件和那一个零件为什么咬合在一起?那一个零件是什么力量使它摆动起来的呢?拆着，思考着，一直到把整个闹钟拆到不能拆为止。一大堆散碎的零件怎么按原样装起来呢?詹天佑凭着他那良好的记忆力，居然一件一件装好了，他也弄清了闹钟的构造与原理。
1871年，清政府派我国第一位毕业于美国耶鲁大学的容闳负责筹办幼童留学预备班。
11岁的詹天佑听到后恳求父母让他参加考试。因为家贫，正在为詹天佑前途而忧愁的父母一听说是官费，便欣然答应了，但是他们又担心詹天佑年纪太小考不取，可詹天佑满有信心地说：“保证马到成功。”考试结果一公布，詹天佑成绩优异，名列前茅，被录取为第一批出国留学的预备生。
1872年，第一批留洋学生共30人登上征程了，詹天佑第一次乘轮船、坐火车，对这些洋玩艺非常着迷，中国人为什么不能制造火车、轮船?他心中顿时有一种羞辱感，他下定决心，一定要发奋求学，用科学来振兴祖国。
在美国，为了学好英语，詹天佑住到美国市民家里。第二年他考进了西海文小学，仅用3年就小学毕业了，2年中学毕业。他考取耶鲁大学土木工程系，专攻铁路工程专业。他发誓一定要让中国也有自己的火车、轮船。在这里，他少年的兴趣得到了充分发挥，加上他刻苦钻研，各门成绩一直名列前茅。
1881年，詹天佑回到了祖国的怀抱。1905～1909年主持修建我国自建的第一条铁路-京张铁路。在修建的过程中，詹天佑因地制宜运用“人字形”线路，减少工程数量，并采用“竖井施工法”开挖隧道，缩短了工期，在中国铁路史上写下了光辉的一章。