詹天佑与双亲断绝通信近十年，获许探亲后，他立即由上海经香港转到广州，回到了广州西部南海县的家。当时父亲詹兴洪正在街旁摆摊卖青菜，见一个青年向他走来，并在问话中说出了自己的名字，非常惊讶，一问才知是分别十年的长子还乡。相逢如初见，惊问来者谁。分别十年，父子已不相识。父亲惊喜交加，热泪盈眶。一家人享受短暂的团圆幸福后，詹天佑又乘船返回上海。
在一些顽固派分子的操纵下，清政府根本不考虑留学生的专业。他们的分配原则是：优等生分派到政府衙门充当翻译，学习做官的本领，以便日后提拔做官；次等生分配到天津、上海的机器局等部门专门学习一门技艺。詹天佑虽然获得了耶鲁大学学士学位，但他寡言少语，不会阿谀奉迎。在那些人看来，不是做官的材料，算不上优等生，所以詹天佑在1881年10月，被分派到福州船政局。到了福州船政局后，他又被分在水师学堂学习驾驶。由于清政府的腐败，留学多年回来的学生大都学非所用，这简直是极端的浪费。
一天，谭伯村因事路过福州，顺便来看望詹天佑。看到詹天佑若有所失的样子，谭伯村关切地问：“天佑，是不是对工作有点不满意啊？”
“是啊，谭伯伯，我在美国学的是陆上的土木工程、铁路建筑，可现在却让我到海上驾船，我真是想不通。”
谭伯村连忙开导他说：“天佑，你不要想那么多了，咱们是听人差遣，官府让干什么就干什么好了，整天为这事烦恼，会累坏身子的。”
詹天佑笑了，他说：“谭伯伯，您放心吧，我只是有点失望，不过我不会灰心的，我还会认真学习，做好该做的每件事的。”
谭伯村高兴地说：“要是能这样，我和你父亲就真的放心了。”
得益于留学期间扎实的科学基础和动手能力，詹天佑仅用一年时间便学完了原需两年半时间习完的轮船驾驶课程，以第一名的成绩毕业。其后被安排到“扬武”兵舰实习，担任驾驶官。
1884年8月，法国海军舰队侵犯福建沿海并袭击马尾炮台及船厂，中国船只好仓猝应战，伤亡惨重，福建海军几乎全毁。
詹天佑在这次海战中表现极为英勇。敌人开始袭击时，詹天佑与他的几名同学正在“扬武”舰上，他们马上开炮，还击敌船。后来“扬武”舰中弹起火，詹天佑仍然继续发炮。直到火势猛烈，管带（舰长）下令迅速离船时，詹天佑才跳下水，并且在水中救起多人。中法海战中詹天佑的英勇事迹受到了中外人士的赞扬。上海英商办的英文报纸《字林西报》报道：西方人士料不到中国人这样勇敢力战。扬武号兵舰上的学生五人中，以詹天佑的表现最为动人。他临大敌而毫不畏惧，并且在生死存亡的紧要关头，还能镇定如常，鼓其余勇，在水中救起多人。
1884年10月27日，詹天佑应两广总督张之洞的邀请，从福州回到他久别的故乡——广东。就在他即将离开福州时，福州船政大臣何如璋以“詹天佑教导出力，实堪嘉尚，赏给五品顶戴”。11月6日到两广总督衙门报道。此时，张之洞任两广总督还不到5个月。为加快培养洋务与军事人才，他上任后就将广州黄埔广东实学馆改为广东博学馆，并筹划将博学馆扩建成为一所新式水陆师学堂，四处聘集人才，调詹天佑回广东任教。1885年1月1日，张之洞对派委詹天佑担任博学馆洋文教习作出批示：“派委该学生詹天佑充补实学馆洋文教习。”张之洞是清末洋务派首领，同治进士。1882年任山西巡抚，1884年中法战争时，升调两广总督。1889年调湖广总督。1907年任军机大臣。他创办汉阳铁厂、兵工厂，修建京汉铁路，被誉为中国的“钢铁之父”。1884年5月，慈禧太后派张之洞任两广总督，办理广东防务。张之洞临危受命，赴广东迅速建立军民联防的防御体系。
在中法战争中，福州水师大败，而陆路各军大胜，暴露出中国海防薄弱。张之洞总结这一教训，于1885年10月奏陈朝廷：自海上有事以来，法国恃其船坚炮利横行无忌。我之筹画备御，亦尝开立船厂，创立水师，而造船不坚，制器不备，选将不精，筹费不广。上年法人寻衅，迭次开仗，陆路各军屡获大胜，尚能张我军威，如果水师得力，互相援应，何至处处牵制。当此事定之两广总督张之洞时，惩前毖后，自以大治水师为主。要“大治水师”，首先要绘制一张精确的广东海图。张之洞接任两广总督之初，即奉清政府电令，要求各地将沿海各口地形绘制海图。然而屡经督催，至1885年底，仍未能完成，有送上的也过于简略。为此张之洞设立海图馆委派广东营务处组织专门班子，考察各海口，逐一测勘；同时，委派博学馆教习詹天佑，选带测绘专业人员，随同前往。
广东省海岸线绵长，内河外海，暗礁明岛，丛杂林立，要按张之洞的要求绘制“精当详细”的海图，并不是件容易事。好在詹天佑在耶鲁大学土木工程系专门学习过地形测量学、铁路路线勘测学，他运用所掌握的西方先进的勘测与绘图方法，带领海图馆人员深入沿海海岸与岛屿，从1886年2月至1887年8月，历时一年半，终于绘制出我国首幅精细海图——广东海图。
张之洞看了詹天佑所绘制的广东海图，既清晰又准确，而且注说详明，十分高兴。1887年冬，张之洞带上詹天佑等人，乘轮船巡海，亲历广东省绵长海岸，对詹天佑所绘海图与各分图详加核证，随后将该图上报朝廷，分呈军机处及总理衙门。
张之洞一直主张中国应建立北洋、南洋、闽洋、粤洋四支海军，中法战争的经历，更坚定了他的目标。要建立广东水师，首要任务是培养新式军官。经奏准清廷，1887年7月，张之洞仿效李鸿章、左宗棠在天津、福州兴办水师学堂的做法，在博学馆基础上，设立广东水陆师学堂。受到张之洞信任的詹天佑，担任了广东水陆师学堂的教习。期间，詹天佑认真执教，成绩斐然，“官称其能，士服其教”，被尊为导师。
一直到1888年。詹天佑归国后的第7年，在老同学邝孙谋的推荐下，他进入了中国铁路公司工作。说起中国铁路事业的发展及詹天佑投身祖国铁路建设，还有一段曲折的经过。洋务运动兴起以后，洋务派从军事需要出发，主张兴办铁路。顽固派则极力反对，双方互不退让，展开了激烈的大辩论，一直到1885年，为尽快将开采出的煤外运，经朝廷批准，开平矿务局雇用英国工程师金达筑成了由唐山到胥各庄的10公里小铁路。由于铁路通车后为矿务局带来了极大便利，所以直隶总督、洋务派代表人物李鸿章批准将唐胥铁路扩展到芦台，并继续向塘沽、天津方向发展。开平铁路公司也改名为中国铁路公司，并向英国汇丰银行借款一万两，收买唐胥铁路为公司所有。这个公司实际是被英国侵略势力把持。
当这条铁路向塘沽修筑的时候，清政府的亲德派分子请来了德国工程师鲍尔。鲍尔和金达之间经常发生争执，实际上这是英、德两国争夺对公司控制权的阴谋。金达一心想找人帮他共同对付鲍尔，他看中了一直在开平矿务局管了七年库房的留美学生邝孙谋。
一天，他去对邝孙谋说：“我看你还是不要看管库房了，到公司来帮我修铁路吧。”
邝孙谋说：“库房我是看够了，不过修铁路我也不在行。你要真需要人，我倒可以推荐一位给你。”
金达一听，忙说：“谁呀？他能行吗？”
邝孙谋神气地说：“准行。我的同学詹天佑，技术顶好了，而且他是专门学的铁路建设专业。”
中国铁路公司总理伍廷芳也是留美学生，对詹天佑的品学非常了解，他十分同意聘请詹天佑到中国铁路公司工作，就这样，詹天佑被任命为帮工工程师，作为外国工程师的助手开始了他为祖国修筑铁路的生涯。
詹天佑进入中国铁路公司以后，他看到了金达和鲍尔之间的矛盾。他没有被金达所利用。终于能用所学的知识来加强祖国的铁路建设，他感到十分高兴。他不愿卷入别人的纠纷中，只想多做些实事，所以来到公司后，他立即去了工地，和工人们一起工作。他仅用了80天就指挥完成了塘沽到天津的铺轨工程。1888年9月5日，唐山到天津的铁路全线通车，李鸿章亲自主持了通车仪式。
詹天佑指挥的铺轨工程质量很好，铁路平稳坚实。李鸿章很高兴，但他却把功劳加在金达头上，赞扬金达设计得法，并升他为总工程师。詹天佑在铁路建设上的第一个成绩完全被抹杀了。
通车仪式结束后，邝孙谋非常气愤地对詹天佑说：“这算是什么嘛，明明是你的功劳，为什么要加在洋人头上呢？”
詹天佑笑了笑，说道：“没什么，能有机会把我所学的知识付诸实践，我已经很满足了。”
邝孙谋生气地说：“你呀，就知道苦干，功劳都被窃取了，还满足呢！”
詹天佑拍了拍邝孙谋的肩膀说：“广东有位工程师，在地方上做了很多事业，也从来没有人知道他。我才到铁路公司来，应当多做事，又何必争功呢。”
邝孙谋不服气地说：“我只是觉得不公平，总督大人分明只迷信洋人，不信任自己人。”
其实，邝孙谋说得不错。李鸿章的确只知道迷信外国工程师，他对中国工程师没有信心，所以詹天佑并没有得到应有的重视，却经常被金达所压制，不让他多插手，但詹天佑却不浪费任何时间。他了解金达的用心，那就是想让中国人永远没有能力自己筑铁路以便任由他们操纵。詹天佑暗下决心，一定要练好技术，要超过外国人。不让他去工地，他就埋头研究工程书籍，并培养国内的年轻人钻研技术。
1890年，清政府决定把唐胥铁路向北延伸到山海关，并由山海关扩展到锦州、沈阳、吉林。金达又被李鸿章任命为总工程师，詹天佑因为在督修前一段工程中认真负责，建桥速度快、质量好，被升为分段工程师和总段工程师。金达仍旧想压制詹天佑，但滦河大桥的修建却让他不得不在詹天佑面前低下头。
那是在1892年，唐胥铁路向外扩展的工程进展到滦河。
滦河铁桥工程是一笔很有油水可捞的生意。金达见到有利可图，便把工程包工给英国人喀克斯。滦河河床泥沙很深，又遇到水涨流急，喀克斯自以为是，钻探马虎，打桩很困难。号称具有世界第一流施工技术的英国人在滦河大桥工程上失败了，不得不请求日本人来帮忙，结果日本人也无能为力。后来又包给德国人。德国工程师凭着主观的想法，采用空气打桩法，结果又失败了。眼看交工的期限要到了，金达急得团团转，不得不授意喀克斯去找詹天佑来试一试。在喀克斯眼里，从来没有瞧得上詹天佑这个工程师。几个一流的外国工程师都失败了，他更别提了。可是，眼下已是山穷水尽了，只好试他一次。于是喀克斯厚着脸皮去请詹天佑。
詹天佑分析了外国工程师已用过的各种打桩办法，仔细地研究了滦河河床的地质土壤情况，经过缜密的测量与调查以后，他决定改变桥址，采用气压沉箱法进行打桩。所谓“气压沉箱法”，就是设置一密不透水的工作室，如同有顶无底的巨箱，倒置沉放于河床上，顶盖装设井筒和气闸，供人员和材料进出。灌压缩空气于箱中，使箱内空气压力与箱外河底水压力相等，至箱内无水，河底露出，工人即可在工作室内开挖清理地基，灌注混凝土，将“石料石灰以气压筑至河底七丈之深达至石基而止”。沉箱靠自身的重量逐渐下沉，达到设计深度后，用混凝土填满工作室，从而建起基础坚实的桥墩。
詹天佑自己也穿着工作服装和工人一起在工地上紧张地工作。他虚心接受工人们的意见。外国工程师却以妒忌和怀疑的眼光注视着工程的进行。这位相信科学、相信群众的科学家，终于顺利地奠定了桥基，16座桥墩在滦河上拔地而起。完成了滦河大铁桥的全部工程。气压沉箱法的采用，在我国铁路建设史上还是第一次。
滦河大桥的胜利完工，显示了詹天佑渊博的学识、高超的才干以及大胆革新和实事求是的科学态度。詹天佑的成就，不仅使那些平时自命不凡的外国工程师感到惊奇和畏惧，同时更使詹天佑和他的助手们坚定了以后担负更艰苦工程的信心。
1894年，英国土木工程研究会选詹天佑为会员。这是中国工程师被选入该会的第一人，詹天佑为祖国争得了荣誉。
在这之后，詹天佑又参加了津卢铁路、关外铁路和萍（萍乡）醴（醴陵）铁路的修筑，他出色的工作能力赢得了国内外的一致好评。1901年，詹天佑被派往萍醴铁路，督促修筑事宜。
萍醴铁路由江西萍乡至湖南醴陵，是为解决萍乡安源煤矿煤炭外运而修筑。1898年，清政府督办铁路大臣盛宣怀会同湖广总督张之洞，奏准修筑这条铁路，于1899年开工。主持修筑的外国总工程司李治，设计时采用窄轨铁路。开工后不久，义和团事件爆发，外籍工程司逃往上海，萍醴铁路停工近10个月。詹天佑来到萍醴铁路工地，抓紧督促复工。他查看设计图纸，发现是按窄轨铁路设计的，当即坚持要求按标准轨距1.435米修筑，确保我国铁路统一轨距，以利运输畅通。萍醴铁路1903年竣工通车，长38公里；后展筑至株洲为株萍铁路，长90公里，萍乡煤运到株洲后再由水路运到汉阳，供汉阳铁厂使用。株萍铁路是湖南省最早的铁路，民国时期成为我国东西干线浙赣铁路的重要组成部分。詹天佑在萍醴铁路坚持采用标准轨距，表现了这位“中国铁路之父”的远见卓识。
1902年10月詹天佑奉调赶赴关外铁路。到山海关后，詹天佑沿线察看，经俄军战火破坏，关外铁路满目荒凉，山海关存放的机车车辆遭受损坏，三年前詹天佑主持修筑的桥梁、线路已破损严重，大凌河大桥亟待修复。詹天佑曾参与组织修筑关外铁路，对这条铁路的线路与设备状况了然于胸。他组织队伍，周密部署，深入沿线，抓住桥梁等重点，积极抢修，仅用一个多月，关外铁路就迅速恢复了通车。袁世凯由此发现了詹天佑的出色才干。
1902年11月，袁世凯召见詹天佑。为什么要召见詹天佑呢？
原来，清皇室有春天祭陵的习俗。清陵分东陵和西陵，东陵在河北省遵化县，西陵在河北省易县。坐火车去祭陵是祖宗前所未有的创举。为了寻刺激，1902年秋天，慈禧太后一时心血来潮，下道圣旨，要在第二年春天乘火车去西陵祭祖。为此，决定拨款60万两，修建一条从高碑店直达西陵的京汉铁路支线——西陵铁路。1902年10月，清政府把这个任务交给了袁世凯，并限6个月完工。袁世凯原打算请英国人金达担任总工程师，但法国驻北京公使提出抗议，要求改派一个法国工程师，实际上这是英法两国争夺铁路的控制权。由于英法争夺总工程师这个职位，双方交涉多时却谁也不肯让步。袁世凯没有办法，只好决定由中国人自办，为此他特地召见詹天佑，任命他为西陵铁路总工程师。
袁世凯对詹天佑说：“我知道你一向工作认真，才学出众，所以让你挑这副重担。对此你可有信心？”
詹天佑立即回答：“完全有信心，天佑在多年的实践中已锻炼成熟，自信完全有能力担此重任！”
“那好。不过由于英法的争执耗去了时间，现在离祭陵时间只有4个月了，无论如何要按期完成！”
詹天佑点了点头，说道：“总督大人请放心，天佑一定想尽办法按期完工。”
被袁世凯召见后，詹天佑兴奋得一夜没睡。他并不是因为被袁世凯召见而激动，而是为自己能担任西陵铁路的总工程师而高兴，这可是第一次由中国人自修的铁路，他下决心一定要出色地建成这条铁路。
第二天开始，詹天佑就率领工人测量选线，备料开工。当时正是隆冬，河水已经冻结，施工极为困难，尤其是材料少，运输又难。詹天佑周密计划，全力以赴。在那4个月里，他每天工作15小时，废寝忘食，冒着严寒，深入实际，想方设法加快进度，降低成本。
西陵铁路若用新轨，不仅价格贵，而且从国外进口时间长。詹天佑从关内外铁路借用旧钢轨，就近运输，省钱省时。
西陵铁路为皇室谒陵专线，所行专车载重量小。詹天佑因地制宜，全线大小桥梁37座，采用临时便桥，先通后固；枕木不够，詹天佑指挥工人把枕木适当铺稀些，这样既不影响线路稳定，又节约开支，加快铺设速度。
国外施工，须待一年之后路基泥土由松变实方可铺轨。詹天佑打破这一常规，指挥工人边堆土边夯压，路基一成随即铺轨。
1903年3月西陵铁路建成。袁世凯亲临验收。他向朝廷奏道：“臣查此项工程，前奉谕旨本限6个月报竣，今仅4月，即已完工，所需款项，不过60万两。”这项工程实际花销59.9058万两，比卢汉铁路公司勘估节省1/3。
1903年4月5日，慈禧偕光绪从北京永定门车站登上火车。这一皇家“龙凤专列”由17节车厢组成，由美国工厂1897年制造的“卢探路202”机车牵引，火车头前插着两面杏黄色的大清国龙旗，车辆外表漆成黄色，装饰一新。车厢内铺有地毯，仿照皇宫布置得富丽堂皇。
祭陵专列从永定门车站缓缓启动，沿京汉铁路南下，至高碑店站，转入西陵铁路。27岁的火车司机张美不慌不忙，沉着熟练地操纵机车，专列行走平稳，没让慈禧感到一点儿颠簸。慈禧惊异地发现，她包厢里的各种装饰和摆设，没有一件掉落，连桌上的茶水也没洒溢。专列从北京出发，经高碑店到梁各庄120多公里，一路绿灯，只用了两个多小时就安全抵达梁各庄。
慈禧乘火车谒西陵，感到乘火车既快捷又平稳，比坐马车或轿子舒服得多，非常满意。慈禧回京下车时，将她乘坐车厢中的全部陈设品奖给詹天佑。可是詹天佑认为功劳应归于全体筑路人员。詹天佑小时候就喜欢拆卸和组装钟表，他只取了车上一个小座钟作为纪念品，其余物品全部分给了司机张美和筑路人员。
1903年4月13日，清政府奉旨下令奖赏詹天佑等新易铁路出力人员：“候选同知詹天佑曾在外洋学习工程专门多年，为中国工程中杰出人才，此次承修路工，正值隆冬天气，措手綦难，该员不避艰辛，督率各匠役勤奋趋事，得以迅速竣工，而用费亦极节省，实属异常出力。”詹天佑原为候选同知，特提升为选用知府。
西陵铁路揭开了中国工程师自己修铁路的序幕。它的竣工鼓舞了中国人民用自己的人力、财力建设铁路的勇气和信心。詹天佑也在中国广大的工程人员中树立了极高的威信，为他修筑京张铁路铺平了道路。
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