太平天国革命和第二次鸦片战争失败以后，清朝统治者中有一部分人感到，中国的科学技术太落后，枪炮太差了，如果再这样下去，会危及到清王朝的统治。因此，他们搞起洋务运动，购买外国的机器，办起一些工业来。
这时，曾经在美国留学过的爱国知识分子容闳提出了一项建议，希望清政府能不断地派学生到美国去留学，掌握先进的科学技术知识。容闳的用意，是让这些学生学成回国后，把中国搞得富强起来。热衷于搞洋务运动的一些官员，接受了这项建议，并奏请朝廷批准，接着，各省推选留学生。那时，各地都没有学过西方科技知识和外国语言文字的青年，所以必须挑选儿童，到美国去从头学起。
广东省挑中的儿童中，有一个名叫詹天佑的，他祖上是安徽省婺(wù)源县(今属江西省)，后来移居广东。1861年(清咸丰十一年)，詹天佑就出生在广东南海县。广东挑选留美儿童时，他正好11岁，年龄合格。他父亲是个茶商，和外界接触较多，愿意让他去，这在当时算是思想非常开通的。因为去遥远的美国读书，毕竟是件陌生的事。到那里去的华工，有不少病死异乡;留学生的命运究竟怎样呢？谁也不能保证。清政府怕负责任，要选中留学的儿童家长都签一份“出洋志愿书”，上面写明“倘有疾病生死，各安天命”。就这样，詹天佑作为中国第一批官费留学生，于 1872年(清同治十一年)登上轮船，出发去美国了。
1878年(清光绪四年)5月，詹天佑考入耶鲁大学土木工程系，专门攻读铁路工程。他并不是一个死读书的学生，和美国学生很合得来，一起游泳、滑冰、钓鱼、打球。詹天佑尤其喜欢打棒球。当时，中国学生组织了一个中华棒球队，詹天佑就是这个队的队员。因为他棒球打得好，在耶鲁大学出了名。他还阅读了大量欧洲文学作品，但是，对自己的专业课程，丝毫也没有放松。一、二年级时，他获得过数学奖学金。毕业时，他又考了第一名。他写的毕业论文题目是《码头起重机的研究》，很有学术价值。当时在中国驻美公使馆中工作的容闳，为了让一部分成绩优良的学生学得更好些，打算选派一些学生进美国陆海军学校深造。詹天佑被选中了。但是，美国政府不让中国学生学习军事，这件事只能作罢。正在这时，清政府忽然下令，把全部留学生撤回中国。这个消息对留学生是个很大的打击。因为这时全体留学生中，只有两人取得了学位。绝大部分人没有学完就回国，岂不是半途而废？清政府为什么做出这样荒唐的决定呢？原来，它按照“中学为体，西学为用”的方针，只准学生到美国去学习技术知识，而不肯让他们接受西方思想的影响。专任留学生学监吴子登，忠实地执行了这个方针，对留学生的行动监视得很严。他一贯指责学生参加打球之类的运动，干涉他们的衣服式样更不准留学生进教堂，可是，留学生和美国的学生接触多了，生活方式渐渐受到了影响。他们总觉得，脑后拖着条辫子不太雅观，穿着长袍活动也不方便。有些学生提出，要像美国学生一样穿西服;胆子大一点的，甚至提出要剪掉辫子。这样一来，可惹下大祸了。留学生要穿洋人的服装，这还了得！尤其是那根辫子，清政府把它看做是自己统治权力的象征，要把它剪掉，岂不是想丢掉根本？如果这样，学了技术对清政府统治还有何用？为此，吴子登将这些事报告给清政府，说如果让这些学生成了异端，贻害无穷。清政府接到报告后，立即命令留学生全部回国。詹天佑还算幸运，是取得学位的两个学生中的一个。他抱着满腔的热情和希望，要把自己学到的本领献给祖国。
1881年7月，詹天佑和他的同学们回到祖国。10月间，他被派到福建水师学堂学习驾驶海船。原来清政府以为，大多数留学生没有完成学业，所以在国内让他们重新学习。詹天佑学的是铁路，竟派他去学轮船驾驶。詹天佑无法反对，便在水师学堂里认真学习。第二年6月，他以一等第一名的成绩毕业。11月，就被派到“扬武”号军舰上担任驾驶官。
中法战争爆发后，法国军舰开进马尾港，包围了福建水师。中国军舰却接到命令，不准先开火。于是，福建水师处于十分不利的地位。詹天佑见情势危急，就对管带张成说：“法国军舰来了这么多，显然是想消灭我们。我们虽然接到不准先开火的命令，但也不能不做好应战准备。”张成也赞成这个意见，所以命令全舰士兵严阵以待。果然，法国军舰偷袭，“扬武”号军舰立即发炮回击，在闽江口与法国军舰激战近6个小时。这艘军舰上有5个学生，他们都学有所长，所以在战斗中技术操作非常熟练。詹天佑的表现尤其突出。在战斗中他毫不畏惧。当军舰中炮，有士兵落水时，他奋不顾身地跳进水中，仗着留学时学得的高超的游泳技术，一连救起了好几个人。但是，由于法国军舰多，中国舰队的指挥也不恰当，这一仗，中国水师的损失很大。
