詹天佑在美国先后就学于威哈吩小学，弩哈吩中学，1881年又以优异成绩毕业于耶鲁大学，并写出题为《码头起重机的研究》的毕业论文，获学士学位，并于同年回国。回国后詹天佑入马尾船政前学堂学习，学成后派往福建水师旗舰“扬武”任炮手，参加了马尾海战。战后被调入黄埔水师学堂任教习。
福建水师旗舰“扬武”
1888年，詹天佑由老同学邝孙谋的推荐，到中国铁路公司任工程师。被湮没了七年之久的詹天佑才有机会献身于祖国的铁路事业。此时正值天津-唐山铁路施工，他不愿久居天津，就亲临工地，与工人同甘共苦，结果只用八十天的时间就竣工通车了。但李鸿章却以英人金达之功上奏，并提升金达为总工程师。詹天佑之功就这样被剽窃了。
1890年清政府又修关内外铁路（今京沈铁路），以金达为总工程师。1892年工程进行到滦河大桥，许多国家都想兜揽这桩生意，金达当然以英人为先，但英人喀克斯以建不成桥而失败。日本、德国的承包者也都遭失败。由于交工期限将至，金达才不得不求于詹天佑。詹天佑详尽分析了各国失败原因，又对滦河底的地质土壤进行了周密的测量研究之后，决定改变桩址，采用中国传统的方法，以中国的潜水员潜入河底，配以机器操作，胜利完成了打桩任务，建成滦河大桥。这一胜利长了中国人民的志气。1894年英国工程研究会选举詹天佑为该会会员。
此后，詹天佑又领导了京津路、萍醴路（萍乡至醴陵）等铁路的建筑。
袁世凯为讨好那拉氏，1902年奏请修建一条专供皇室祭祖之用的新易铁路（高碑店至易县）。坐火车去祭祖，那拉氏自然高兴。为了不误1903年祭祖之用，命袁世凯于六个月内完工。袁世凯命詹天佑为总工程师。尽管此路价值不大，却是中国人自修铁路之始，因此詹天佑仍是非常重视。詹天佑彻底抛弃了当时外国人必须在路基修成之后风干一年才可铺轨的常规，仅用四个月的时间以极省的费用建成新易铁路。大大鼓舞了中国人自建铁路的信心，为后来京张铁路的修筑打下良好基础。
张家口为北京通往内蒙古的要冲，南北旅商来往之孔道，向来为兵家所必争，因此京张铁路就有着重要的经济价值和政治价值。当清廷要修京张路的消息传出后，在华势力最大的英国志在必得，视长城以北为其势力范围的沙俄誓不相让，双方争持不下，最后达成协议：如果清廷不借外债，不用洋匠，全由中国人自修此路，双方可都不伸手。这样，清政府就打消了求救于洋人的念头而一心自修了。
1905年5月，京张铁路总局和工程局成立，以陈昭常为总办，詹天佑为会办兼总工程师，1906年詹天佑又升为总办兼总工程师。詹天佑清楚地知道这一任务的艰巨性，他首先必须顶住来自各方面的冷嘲热讽：有人说他是“自不量力”，“不过花几个钱罢了”，甚至说他是“胆大妄为”。他给他的美国老师诺索朴夫人的信中就这样说：“如果京张工程失败的话，不但是我的不幸，中国工程师的不幸，同时带给中国很大损失。在我接受这一任务前后，许多外国人露骨地宣称中国工程师不能担当京张线的石方和山洞的艰巨工程，但是我坚持我工程”。充分体现了中国知识分子的爱国心和民族责任心。
詹天佑勘测了三条路线，第二条绕道过远为不可取。第三条就是今天的丰沙线。由于清廷拨款有限，时间紧迫，詹天佑决定采用第一条路线，即从丰台北上西直门、沙河、经南口、居庸关、八达岭、怀来、鸡鸣驿、宣化到张家口，全长360华里。全线的难关在关沟，这一带叠峦重嶂，悬殊峭壁，工程之难在当时为全国所没有，世界所罕见；坡度极大，南口和八达岭的高度相差180丈。詹天佑把全线分为三段：丰台到南口为第一段，南口到康庄为第二段，余为第三段。
1905年9月4日正式开工，12月12日开始铺轨。就在铺轨的第一天，一列工程车的一个车钩链子折断，造成脱轨事故。这一下成了中国人不能自修铁路的证据，各种诽谤中伤纷至沓来。但詹天佑没有惊慌失措，反倒冷静地想到：此路坡度极大，每节车厢之间的连接性能稍有不固，事故就难避免。为此，他使用了自动挂钩法，终于解决了这个问题。
1906年9月30日第一段工程全部通车，第二段工程同时开始。难关就在第二段，首先必须打通居庸关、五桂头、石佛寺、八达岭四条隧道，最长的八达岭隧道1，092公尺。这不仅要有精确的计算和正确的指挥，还要有新式的开山机、通风机和抽水机。前者对詹天佑都不成问题，而后者当时中国全都没有，只在靠工人的双手，其困难程度可以想见。他们硬是克服了重重困难，终于在1908年9月完成了第二段工程。
第三段工程的难度仅次于关沟，首先遇到的是怀来大桥，这是京张路上最长的一座桥，它由七根一百英尺长的钢梁架设而成。由于詹天佑正确地指挥，及时建成。1909年4月2日火车通到下花园。下花园到鸡鸣驿矿区岔道一段虽不长，工程极难。右临羊河，左傍石山，山上要开一条六丈深的通道，山下要垫高七华里长的河床。詹天佑即以山上开道之石来垫山下河床。为防山洪冲击路基，又用水泥砖加以保护，胜利完成了第三段工段。
对于工程上的困难，詹天佑从未放在眼里，对于人为的障碍却使詹天佑忧愤至极。清河有个叫广宅的人，是前任道员，皇室载泽的亲戚，朝野均有势力。铁路恰经其坟地，他即率众闹事，阻止工程，私下又许以重贿，要求改道。邮传部竟不敢过问。这里北面是郑王坟，南面是宦官坟，西面是那拉氏父亲桂公坟，要大改道不知要浪费多少时间和经费。詹天佑以受贿为可耻，绝不改道，竟以去留相力争。最后因五大臣出洋被炸，载泽吓得不敢与闻外事，广宅才因失去靠山而同意经其坟墙以外通过。
那拉氏为修颐和园每年不惜数千万金，独不愿为修路出钱。京张铁路经费全靠关内外铁路的赢余，而此款却被控制在英国汇丰银行手中，正当进入第二段工程时，汇丰银行故意刁难，拖付款饷，造成误工。詹天佑既不善钻营于权贵，更耻于逢迎于洋人，因而愤懑至极。
帝国主义无时不想夺取此路，工程一开始，日本人雨宫敬次郎就上书袁世凯说：中国人无力修成此路，不如聘请日本技师较为稳妥。英国人金达也来替日本说项。詹天佑以此路决不任用任何一个外国人为由断然拒绝。居庸关遂道工程开始后，三五成群的外国人，以打猎为名常来窥探，他们希望工程失败以便乘人之危。詹天佑以出色的成绩为中国人出了这口气。
京张铁路建成典礼
此路原订六年完成，詹天佑终于提前两年于1909年8月11日全线通车了，还节余二十八万两银子。京张路的胜利完成，是中国人民的胜利，也是中国爱国知识分子爱国精神的充分体现。
京张路完式之后，詹天佑应广东商办粤汉铁路总公司的聘请，于1910年任该公司总理，又于1912年5月兼任汉粤川铁路会办。由于中国政府的腐败无能，帝国主义的在华角逐，竟使这位爱国的、天才的杰出工程师不能施展才能，焦虑至极。终因劳瘁成疾，于1919年4月24日下午三时半逝世于汉口，享年五十九岁。
辛亥革命后，詹天佑为了振兴铁路事业，和同行了起成立中华工程学会，并被推为会长。这期间，他对青年工程技术人员的培养倾注了大量心血，他除了以自己的行为作出榜样外，还勉励青年“精研学术，以资发明”，要求他们“勿屈己徇人，勿沽名而钓誉。以诚接物，毋挟褊私，圭璧束身，以为范例。”
一九一九年，第一次欧战结束，詹天佑不顾身患腹疾，代表中国政府出席远东铁路国际会议，冒着严寒赴会，与企图霸占我国北满中东铁路的日方代表论战，取得了我国保护中东铁路的权利。回国途中，他抱病再次登上长城，浩叹：“生命有长短，命运有沉升，初建路网的梦想破灭令我抱恨终天，所幸我的生命能化成匍匐在华夏大地上的一根铁轨……”他锲而不舍，在铁路战线上与列强斗争不息的事迹、和他身上所体现出的民族精神与科学精神高度融合的品质，将和后人为他树立的铜像一起，永远给我们无限启示。
对于工程上的困难，詹天佑从未放在眼里，对于人为的障碍却使詹天佑忧愤至极。清河有个叫广宅的人，是前任道员，皇室载泽的亲戚，朝野均有势力。铁路恰经其坟地，他即率众闹事，阻止工程，私下又许以重贿，要求改道。邮传部竟不敢过问。这里北面是郑王坟，南面是宦官坟，西面是那拉氏父亲桂公坟，要大改道不知要浪费多少时间和经费。詹天佑以受贿为可耻，绝不改道，竟以去留相力争。最后因五大臣出洋被炸，载泽吓得不敢与闻外事，广宅才因失去靠山而同意经其坟墙以外通过。
那拉氏为修颐和园每年不惜数千万金，独不愿为修路出钱。京张铁路经费全靠关内外铁路的赢余，而此款却被控制在英国汇丰银行手中，正当进入第二段工程时，汇丰银行故意刁难，拖付款饷，造成误工。詹天佑既不善钻营于权贵，更耻于逢迎于洋人，因而愤懑至极。
帝国主义无时不想夺取此路，工程一开始，日本人雨宫敬次郎就上书袁世凯说：中国人无力修成此路，不如聘请日本技师较为稳妥。英国人金达也来替日本说项。詹天佑以此路决不任用任何一个外国人为由断然拒绝。居庸关遂道工程开始后，三五成群的外国人，以打猎为名常来窥探，他们希望工程失败以便乘人之危。詹天佑以出色的成绩为中国人出了这口气。
1 905年8月，京张铁路正式开工，紧张的勘探、选线工作开始了。詹天佑亲自带学生和工人着，背着标杆，经纬仪，日夜奔波在崎岖的山岭上。一天傍晚，猛烈的西北风卷着沙石在八达岭一带呼啸怒吼，刮得人睁不开眼睛，测量队急着结束工作，填个测得的数字，就从岩壁上爬下来。詹天佑接过本子，一边翻看填写的数字，一边疑惑地问：“数据准确吗”？“差不多”，测量队员回答说。詹天佑严肃地说：“技术的第一个要求是精密，不能有一点模糊和轻率，‘大概’、‘差不多’这类说法不能工程人员之口。”接着，他背起仪器，冒着风沙，重新吃力地攀到岩壁上，认真地又重新勘测了一遍，修正了一个误差。当他下来时，嘴唇也冻青了。
不久，勘探和施工进入最困难的阶段。在八达岭、青龙桥一带，山峦重叠，陡壁悬岩，要开四条隧道，其中最长的达一千多米。詹天佑经过精确测量计算，决定采取分段施工法：从山的南北两端同时对凿，并在山的中段开一口大井，在井中再向南北两端对凿。这样既保证了施工质量，又加快了工程进度。凿洞时，大量的石块全靠人工一锹锹地挖，涌出的泉水要一担担地挑出来，身为总工程师的詹天佑毫无架子，与工人同挖石，同挑水，一身污泥一脸汗。他还鼓舞大家说：“京张铁路是我们用自己的人、自己的钱修建的第一条铁路，全世界的眼睛都在望着我们，必须成功！”“无论成功或失败，决不是我们自己的成功和失败，而是我们国家的成功和失败！”
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