（一）怀才不遇
从异国归来，留学生们的一腔热情却被腐化顽固的清统治者们无情地浇灭了。
留学生们曾经作为振兴国家科技的希望，离开祖国和亲人千里迢迢留洋求学，如今终于学成归来，他们自然是不尽地兴奋与激动。然而，他们怎么也想不到，自己的梦想从开始就是泡影。詹天佑的同期留美同学黄开甲记录了他们的遭遇：
“曾幻想有热烈的欢迎等着我们，也有熟悉的人潮，和祖国伸出温暖的手臂来拥抱我们。可是天呀！全成泡影。水草越来越清楚，想象中的欢迎仪式，使我们越发激动。船头划开扬子江平静黄色的水波，当靠码头时，那船舷碰岸的巨响，才惊醒我们‘乌托邦式’的幻梦。人潮围绕，但却不见一个亲友。没有微笑来迎接我们这失望的一群……只有一个人上船来接我们——是管理我们信件的陆先生，一个不如平庸中国人的头等笨伯。他不雇用马车或船将我们载往目的地——中国海关道台衙门，却雇用独轮车来装载我们。行程迟缓，使我们再度暴露在惊异、嘲笑的人群中……”
“终日饱吸自由空气”的留学生们突然回到专制、愚昧、不平等的封建社会，备感落差，感到极大的沉重与痛苦。清政府统治者们也并不看重留洋归来的学生们所掌握的先进知识，只把他们看作是无科举功名、有一技之长的“畴人”、“工匠”。经过一段时间的延宕，清政府“乱点鸳鸯谱”式地将其任意分配，詹天佑被分配到福州船政学堂学习海军驾驶。这一切，詹天佑和他的同学们都毫无发言权，只能听任官僚们的摆布。
当时的中国铁路事业在顽固派的百般阻挠下刚艰难起步，帝国主义国家觊觎修建铁路的利益，纷纷逼迫清政府任用外国工程师，铁路事业的技术管理层被外国人垄断，完全没有中国人的容身之地。詹天佑后来回顾他回国时的情况时，说：“我在毕业后即回国，因为在此时期，在国内没有修筑铁路的工作，我被迫进入海军福州船政学堂做一名学员学习航海。”
1881年（光绪七年）11月，詹天佑在福州船政学堂开始了新的生活。入学后不久，时届年关，春节就要到来，学校允许这些离家去国近十年的留学生们回家探亲。詹天佑回到了阔别十年、日思夜想的家乡。当年离开时，他还是个不懂事的孩童，再次踏上故土之时，他已成长为壮实的青年。詹天佑感慨万分，凭记忆很快找到了位于广州城西门外十二甫熟悉的家。那天，詹天佑的父亲詹兴洪正在街上摆菜摊子，忽然见到一位青年向他走来，并向他打听自己。他惊讶地问青年是谁，才知道站在他眼前的青年人竟是自己离别已十年的长子。老人惊喜交集，热泪盈眶。詹天佑的母亲和家人闻声而出，一家团聚、悲喜交集的场面引得许多街坊邻居围观、感叹。
詹天佑被迫“由路而海”以后，并没有流露出太多不满与不快。沉稳坚毅的他很快埋头投入新课程的学习。对于已取得耶鲁大学学士学位，有坚实的理工科基础的詹天佑而言，船政学堂的学习并不困难，仅半年时间，他便以一等第一名的成绩毕业，在福建水师旗舰“扬武”号上任职。
约一年后，1884年2月（光绪十年正月），詹天佑接到调令，被福建船政大臣何如璋调回福州船政学堂的后学堂（水师学堂），升任教习。在23岁时，詹天佑开始了他的教学生涯。然而，落后腐朽的旧中国没有太平，处于任人鱼肉的境地。半年后，法国突袭福州马江，接连几天的疯狂炮击，使得福州城一片断壁残垣、荒凉不堪。福州船政局，这个清政府在洋务运动中创办最早、规模最大的军事造船厂，还有福州船政学堂这个创办最早、规模最大的海军航海与制造学院，都是重金聘用法国工程师设计制造与主持创办的，而转眼之间，又被法国的舰艇与炮火彻底毁灭了。这样的结果，让詹天佑再次感到切肤之痛，他更急切地想用自己所学去富强中国。
因福州船政局被彻底摧毁，詹天佑一时失去了工作。1884年10月，詹天佑突然接到了新任两广总督张之洞给他发来的调令，要他去培养陆、海军军官的博学馆充任英文教习。从1884年（光绪十年）至1888年（光绪十四年），詹天佑一直在广州博学馆任教。他教学认真，教学水平高，“官称其能，士服其教”，深受好评。1886年（光绪十二年）起，詹天佑还奉派勘测绘制广东沿海的海图与海防险要地形图，以及参与修筑广东沿海炮台，不仅为加强广东海防做出了重要的贡献，还开创了中国的海图绘制工作。四年多的教习生涯之后，1888年5月，中国铁路公司给詹天佑发来了一纸调令，他终于投入了多年梦寐以求的中国铁路建设事业当中。
从1881年回国至1888年调入中国铁路公司，辗转跌宕之间，詹天佑的所观所感，让他逐渐认识到落后腐朽的旧中国，与西方的先进自由天地的差距。他急切地想要投身于振兴祖国的事业当中。那是一种不再局限于为个人命运嗟叹，而是基于切肤之痛、发自肺腑的宽广宏大的情感。没有预想的那般明媚美好，但这样的黑暗却更让人咬紧牙关，紧握双拳，积蓄着力量，只待磅礴而发。
（二）牛刀小试
1.天津—唐山铁路
中国铁路建设事业进行得艰难而曲折。以李鸿章为首的洋务派每上奏要求建一段铁路，都会遭到顽固派官僚和社会保守势力的万般阻挠。因而铁路事业进展极为迟缓。但庆幸的是，詹天佑留洋所学，终于能派上用场。
1881年底中国第一条铁路——9.2公里长的唐（山）胥（各庄）铁路建成。然而，滑稽的是，新建成的唐胥铁路在顽固派的反对下，不得行驶机车，只能用骡马拖载运煤列车。一段时间后，因各方面大量需要煤炭，才允许行驶机车，“马车铁路”变成了真正的铁路。1886年，李鸿章组织成立了“开平铁路公司”，独自经营铁路的兴建与运营。同年秋，开平铁路公司动工修建从胥各庄到芦台阎庄间的铁路，称开平铁路。后集资将唐胥铁路从开平矿务局手中买过来，将两路连通，成为一条长约44.8公里的唐（山）芦（台）铁路。唐芦铁路刚建成，奕、李鸿章等就联名上奏清廷，要求将唐芦铁路延筑到天津。得到清廷同意后，李鸿章指示将“开平铁路公司”改组为官督商办的“中国铁路公司”，修建从芦台到塘沽、天津的津沽铁路。
同时，在中国的列强都深知铁路事业的巨大潜力，尤其是隐藏在其后的巨大经济、政治利益，使得列强在中国铁路事业刚起步时就开始千方百计要攫取、激烈争夺铁路总工程师的位置。英国由于其雄厚的实力在中国捷足先登，英国人金达是开平矿务局的总工程师，多次参与中国矿石开采与铁路的建设，在铁路局可以说占据着霸主地位。然而，德国不甘示弱，加紧活动，多方施压，使得“中国铁路公司”又聘请德国工程师鲍尔到津沽铁路工地上任职。二人矛盾日益激化。金达为了对抗与压制鲍尔，就想调用一个年轻的中国工程技术人员到铁路工地上来任职，作为自己的助手，即便于自己指挥，又可壮大自己的势力。他首先想到的是开平矿务局的部下邝孙谋，他是詹天佑留美的同乡和同学。自1881年回国之后，邝孙谋管了八年库房。邝孙谋得到金达的调职通知后，觉得自己在铁路技术方面远不如在美国耶鲁大学土木工程系铁路科获得毕业文凭与学位的詹天佑，于是他向金达推荐了詹天佑。
就这样，詹天佑怀着万分激动的心情来到了中国铁路公司。很快，他意识到金达调任自己来的目的，他不愿卷入金达与鲍尔间的纷争，他更愿意脚踏实地地干些正事。于是，他迅速离开了天津，前往铁路建筑工地。他被任命为帮工程师，受命主持塘沽到天津间的铺轨工程。他亲临工地，与工人同甘共苦。被埋没七年之久的詹天佑一心想的只有修建铁路。他格外珍惜这好不容易等来的机会，全身心地投入到工作当中。詹天佑在美国读大学去野外勘测时，便养成了严谨踏实的作风。在工地，他与筑路工人一道工作，认真负责，踏实细心，要求严格，身体力行。对于掌握了先进的铁路修建技术的詹天佑而言，修一段铁路并非难事；加上他勤恳的工作作风，使得工程进展迅速，短短80天内就完成了铺轨工程。
1888年10月3日，津沽路工程线全线竣工。建成后，与唐胥路、开平路连接贯通，称津唐铁路。正式通车之日，李鸿章亲自前往查验，并率随从乘坐火车从天津直抵唐山。第一次乘坐火车的李鸿章对铁路工程质量极为满意，对铁路运输的便利快捷更是赞不绝口。李鸿章将工程技术上的功劳都归功于金达，对金达奖励有加。而詹天佑的贡献与成绩完全被忽视与抹煞了。邝孙谋替同学鸣不平，而历来沉默少言的詹天佑却并不在意，说：“我自己才到铁路上来，应当多做事，又何必争功。”
这是詹天佑第一次参与祖国的铁路建设事业，虽然没有立即受到重视，但年轻的詹天佑凭着自己过硬的技术和严谨踏实的工作作风，在铁路工程师界逐渐崭露头角。
2.滦河大桥
1891年9月（光绪十七年十月）关东铁路开工，詹天佑被调派到关东铁路工地上任工程师，常驻滦河边的石门，负责督修从古冶到滦州这段工程。
滦河发源于冀北山地，全长870多公里，下游河宽流急，河床泥沙淤积很深，地质结构复杂。在滦河上建造铁路大桥是关东铁路建造中，也是中国铁路史上，第一项比较重大的艰巨工程。
在外国人眼中，滦河铁桥的建造工程造价投资高，是笔获利颇丰的工程项目。总工程师金达将建桥工程让给英国人喀克斯（Cox）来承包。喀克斯只顾赢利，对施工十分马虎。因滦河水流湍急，他又不认真施工，导致打桩连遭失败。号称具有世界第一流施工技术的英国工程师遇到了困难，不得不将工程转让给要价较低的日本工程师。但日本人面对险急的滦河也是束手无策。后来又将工程转包给德国工程师，德国工程师凭着主观的经验和想法，采用空气打桩，结果又失败了。
面对连连失败，交工期限又将至，金达急得手忙脚乱，在无可奈何中他想到了詹天佑。一方面，金达深知詹天佑的知识水平与才干能力；另一方面，他也暗自打着小算盘。首先，詹天佑是中国人，对中国的各方面情况要更为熟悉。再者，若成功了，成绩自当首归总工程师金达；若失败了，则可再次证明中国人的无能。年轻的詹天佑勇敢地接受了这项艰巨的任务，接受了历史向他提出的第一次挑战。
从客观实际出发的詹天佑仔细分析了英、日、德三国工程师采用的各种打桩方法，分析探讨了一次次失败的原因；同时，他深入滦河工地，研究了多处滦河的水流与河床的地质情况，进行仔细的测量与调查。经过认真的测算与试验，最后确定了新的施工方案。
詹天佑首先改变桥址，后精确设计了钢桥结构，全长约2000余英尺，合670米，是清末黄河大铁桥建成前中国最长的铁路大桥。在桥梁建设中最为关键重要也最为艰巨困难的桥墩建造过程中，他将中国传统的桥梁打桩方法与西方近代先进技术相结合，采用新式的气压沉箱法建造桥墩。这是中国铁路桥梁建设史上，第一次使用气压沉箱法建造桥墩。不多久，16座桥墩一座接一座跃出水面。詹天佑开创性的工作取得了成功。
在施工过程中，詹天佑身穿工作服，和工人们同吃同住，同在水里泥里摸爬滚打。他还虚心向工人们请教，听取工人们的意见，和工人们共同奋斗在建设事业当中。他的吃苦耐劳精神让工人们深深感动。
经过几个月的艰苦奋斗，滦河铁路大铁桥工程按期完满竣工。这显示了詹天佑过硬的技术水准和惊人的才干，大长了国人的志气。
3.新易铁路
1902年，袁世凯为讨好慈禧，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）。这条铁路虽是一条没有什么经济价值的临时铁路，但它却是中国人自己独立修建的第一条铁路，也是詹天佑第一次独立主持承建的铁路工程。
清政府将任务交给直隶总督、北洋大臣兼关内外铁路大臣袁世凯，限其六个月内完工。袁世凯接到任务，首先想到的是多次主持中国铁路建设工程的英国人金达。而法国人提出强烈异议，要求聘请法籍工程师担任总工程师。英法两方针锋相对，互不相让，袁世凯在中间交涉多时，也毫无结果。眼看着日子一天天过去，袁世凯担心再拖延下去会耽误慈禧祭祖谒陵之大事。于是，在无可奈何之中，他决定不聘请英法任何一国的技术员，一切事宜均由中国人自己操办。
袁世凯选择了詹天佑。这是一个大胆又必然的决定。从中国修建铁路以来，从来没有由中国工程师独立主持建造过一条铁路，哪怕是不长的一段铁路，也都是在外国工程师的主持下修建的。这是一次前所未有的尝试，谁能承担这一重任？关心洋务事业的袁世凯早就意识到，在当时为数不多的中国铁路工程技术人员中也有能人，在铁路建筑中已工作十多年，曾主持建成滦河大桥的詹天佑就是其中最杰出的一员。因而，在此紧迫时刻，他大胆选择了詹天佑。
詹天佑仓促受命来到西陵铁路工地时，距离通车的期限只有4个多月了。由于时间紧迫，他立即投入工作。“每日工作达十五个小时，许多夜晚，都忙得不能入睡。”然而，时值隆冬，材料运输困难，导致材料缺乏，加之河水冻结，施工极为困难。在这样的情况下，詹天佑不得不采用一些技术改革与应急措施。
考虑到这是一条临时性质的铁路，不运行载重列车，而且只短期使用数次，詹天佑决定暂时疏铺轨木；岔道借用关内外的旧钢轨；沿路各桥梁跨度不大，就先采用木结构的便桥。这些权宜措施，既可暂解材料缺乏之难，又不误工时、缩短了工期。等谒陵结束，有充裕的时间和材料时再加固全路。显然，这是一个十分正确而适用的施工方案。
西陵铁路（即新易铁路）如期完工，袁世凯查勘验收时十分满意。1903年4月5日（光绪二十九年三月初八日），慈禧太后、光绪皇帝一行，浩浩荡荡乘坐火车祭祖。慈禧对新造的西陵铁路赞赏有加，特地向主持建筑西陵铁路的总工程师詹天佑与驾驶慈禧专列火车的司机张美赐予奖赏。她将其乘坐的专列车厢中全部陈列品作为奖品，赏赐给詹天佑。詹天佑在为数众多、琳琅满目的奖品中，只取了一只小座钟作为纪念，其余的全部分发给了全体筑路人员。
西陵铁路建设于清政府意识到铁路重要性，大举建设铁路时期。然而，全国近七成的铁路都是由列强直接投资建筑与管理；另三成由清政府管办自营，但大多数都为清政府向列强各国借款，且聘请外国工程技术人员修建。因而，新易西陵铁路作为第一条用中国款，中国技术人员修建的铁路，具有特殊的历史意义。