到了美国之后，詹天佑寄居在康涅迪格州威斯哈芬海滨男生学校校长诺索布先生家中，与他一同住在那里的还有一名中国留学生欧阳赓。两个、中国少年在那里一住就是六年，即使中国留学生都搬到了留学生事务所集中居住管理，但是詹天佑和欧阳赓却依旧住在诺索布先生的家里。在读完了预科学校和高级学校之后，詹天佑本欲报考美国海军学校，但是却遭到拒绝，在诺索布一家的建议和鼓励下，詹天佑改变初衷，转而报考耶鲁大学理工科土木工程系，这一决定无论对他本人来讲，还是对中国来讲，都意义深远。
在耶鲁大学苦读三年之后，詹天佑以优异成绩毕业，并获得哲学学士学位，他本欲在美国继续深造，但由于清廷发现留学生思想过于“离经叛道”，遂决定终止留学计划，并命令所有留学生立即回国，詹天佑不得不放弃了深造计划，与欧阳赓跟着留学生们一同返回国内，而这时，他们离开故乡已经差不多十年了，而且，在回国的所有留学生里，也只有这两个人获得了大学学位。
回国之后，等待詹天佑的不是鲜花和掌声，而是歧视和冷遇，即使是洋务派领军人物李鸿章，也对留学生们剪去辫子的行为很是不满，但是不满归不满。洋务派还是需要技术人才的，于是，李鸿章大笔一挥，在美国学习铁路工程的詹天佑就去了福州船政局，做了一名轮船驾驶员。之后的七年间，詹天佑一直与铁路无缘，直到1888年，为了从开平煤矿向北洋军港运输煤炭，清廷决定延长唐胥铁路，修建芦台至天津的铁路，并在天津设立中国铁路公司，任命伍廷芳为公司经理，也正是这个伍廷芳，才真正使詹天佑学以致用，从此，中国的铁路事业终于出现了中国铁路工程师的身影。从唐津铁路到唐古铁路，从唐古铁路到古滦铁路，詹天佑的表现都非常出色，而那座滦河铁路桥的修建更使他声名雀起，英国土木工程师学会也正式将他吸收为会员。
但是国家的衰微不是个人力量可以挽救的，甲午战争的战败以及八国联军的入侵，使得中国更加虚弱，作为一个中国工程师。詹天佑也无法对抗历史大势，从1895年到1905年这十年间，他仅仅参与或主持了萍醴铁路、关内铁路、关外铁路、西陵铁路等数条零星铁路的修建工作，这些铁路的总长度加起来也不过九百余公里，与詹天佑铁路强国的目标相去甚远。
日俄战争爆发之后，出于国防需要，清廷决定利用关内外铁路的余利修建北京至张家口的京张铁路，但是由于关内外铁路的余利都存在英国汇丰银行，英国公使要求清廷在修建京张铁路时雇佣英国工程师，可是另一方面，俄国又借口与清廷签有条约。规定长城以北的铁路不得由中、俄两国之外的第三国修建，必须雇佣俄国工程师，英国与俄国相持不下，清廷谁也不敢得罪，最后干脆咬了咬牙，决定使用中国工程师修建京张铁路，于是，詹天佑再次得到了展示才华的机会。
在他的主持跟设计之下，京张铁路不但如期完成，而且无论建设时间、成本甚至设计都比之洋人只高不低，狠狠在一群等着看好戏的洋人脸上落了一巴掌，涨了国人志气。
袁世凯谋夺了革命果实之后，逐渐减少了对铁路的投资，将大量的铁路修筑权抵押给了洋人。不过袁世凯同样对名满天下的詹天佑十分喜爱，去年委任其为交通部技监，今年年初又对其颁授二等宝光嘉禾章。只是虽说得了许多名誉，但是面对着政府在铁路修筑上的低投入，一心希望靠着铁路强国的詹天佑说不出的心痛，多次向袁世凯反应，没有得到回复之后，他只能和同行一起成立中华工程学会，对青年工程技术人员的培养倾注了大量心血。
去年年底，湖南落入李汉之手后，未免李汉以合建粤汉铁路拉拢了龙济光，同时也是为了给李汉找麻烦，他将詹天佑跟一个技术组派往了广州，同龙、陆、唐三人协商，修建一条云广铁路，将南方敌视李汉的三个地方强藩联络到一起。
袁世凯提出的倒是很轻松，只是却难为了詹天佑了。这个时代的民国哪里有那个实力去修建云广铁路，为了从云贵桂粤四省中找出一条最合适的铁路线，几乎这半年来詹天佑一直都是亲自带队，一行十几人穿行于四省的大山、大河周边，走了无数偏僻、到了许多角落，画出了无数张路线设计又随后都被复杂的地形跟建设难度推翻。为了修建云广铁路，詹天佑殚精竭虑，总算找出了一条施工难度较低的可行路线，不过没等铁路动工，“护国战争”爆发了，云广铁路还未开工便停了工。袁世凯被炸死之后，眼看着广东局势一天乱过一天，心里担心加焦急之下，他乘坐轮船北上，人才走到了上海，李汉就带兵入了北京城。在上海他被认出来之后，很快当地政府就派人联系上了他，说是李汉请他来修铁路。对于西部他还是有些了解的，不过印象倒也谈不上多好。因为之前西部的几条铁路修建完成之后，都是洋人经营，在他这个爱国之人看来，毫无疑问是卖国的举动。
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