1861年，詹天佑出生在廣東南海縣的一個小鄉村。父親詹興洪，祖籍安徽婺源縣（今屬江西省），出身儒商世家，很有才學，居廣東經商茶葉。鴉片戰爭爆發后，茶行破產，遷居南海縣務農。

詹天佑，字眷誠，是詹家的長子，他小時候就喜歡玩弄機件。

有一天，詹天佑忽然對家中的西洋鬧鐘產生了興趣，他想，這東西為什么能滴嗒滴嗒走個不停呢？為什么一到點鈴就響呢？趁家里人不在，他決定打開這個匣子，看看其中的奧秘。

于是，詹天佑把鬧鐘搬到地板上，用螺絲刀把零件一個一個拆開，并按順序把它們整整齊齊地放在地板上。

他一邊拆，一邊想，這個零件有什么用處，那個零件是怎樣裝上去的。就這樣，他一直把整座鐘拆到不能拆為止。然后，又憑著自己的記憶把所有的零件裝起來。

就這樣一直忙到天黑，他居然把鬧鐘裝好了。當然，他從此弄懂了鬧鐘的基本原理和結構。

1872年，12歲的詹天佑經過努力，以優異的成績考取留美幼童班，到美國求學，寄宿在房東杰克家，杰克大叔又對他非常關照。

一天傍晚，幾個同學在杰克的客廳里為一個花瓷瓶爭論不休。

家庭條件優越的英國學生克萊恩固執地說：“這么細的質地，這么漂亮的花紋，必定是英國制造的。”

“不對，這是中國制造的。”一位女同學說。

克萊恩雖然年齡小，卻因受環境和家庭的影響，對中國抱有很深的偏見。他嚷道：

“中國這么貧窮落后的國家，根本制不出這樣精美的瓷器，殺了我的頭我也不信。”

同學們請詹天佑來鑒定。詹天佑面對克萊恩，半是嘲諷半是玩笑地說：

“你是該殺頭了！”他拿起花瓶翻過來，指著瓶底說：

“這是中國明代的瓷器，燒制時間約在17世紀中葉，有款為證。”

同學爭相傳看花瓶瓶底的燒制時間，點頭稱是。

當花瓶傳到克萊恩時，他不屑一顧地推開，武斷地說：

“這是印度文。”

同學們哄堂大笑。詹天佑笑得前俯后仰，并大聲說：

“克萊恩，你真偉大，能將中國漢字念成印度文嗎？”

克萊恩有點惱羞成怒，講話更尖刻了。他說：

“中國的男人抽大煙，女人裹小腳，比印度還落后。在我們英國，中國人和黑鬼一樣，愚蠢、懶惰……”

詹天佑被克萊恩的話語激怒了，他捏緊拳頭，在克萊恩的眼前晃了晃，生氣地說：

“你——你敢再說！”

克萊恩仗著他人高體壯，罵不絕口：

“中國人懶惰、愚蠢！”

詹天佑忍無可忍，揮去一拳，克萊恩被這一拳打得踉踉蹌蹌，后退了幾步。然后，兩人糾纏在一起，在地毯上滾作一團。

從未見過這種場面的女同學被嚇得躲在客廳一角。

這時，房東杰克大叔走了出來。剛才客廳的爭吵他已經聽見。老杰克拿起花瓶，不緊不慢地說：

“這個花瓶是30年我從中國帶回來的。中國是遠東最古老的，也是最大的國家，她的人民勤勞勇敢。”

詹天佑聽著杰克的話，臉上洋溢著自豪的笑容，他按捺不住內心的激動，朝老杰克連連鞠躬，不停地說：

“謝謝您，謝謝您！”

1881年，詹天佑畢業于美國耶魯大學雪菲爾理學院土木工程系，并獲得學士學位。同年他學成回國，并負責建造中國第一條鐵路——京張鐵路。