1881年（清光绪七年）8月，105名留美学生取道旧金山回国。这些“童年应试，远涉重洋”的有志青年，到达上海时，并没有受到应有的欢迎。相反，上海道台派兵把他们当囚犯看管起来，中秋节到了，也不准他们回家与亲人团聚。
1881年10月品学兼优的詹天佑，被腐败的清政府当做次等生分派到福州船政局，“专习一艺”。他到了福州船政局，学习土木工程铁路专科的耶鲁大学毕业生，被派去学习船舶驾驶，用非所学。遭到这种无理待遇，对于一个有志报国的青年，该是多么大的打击！但是詹天佑并不因此灰心丧气，他仍然努力学习。半年后，他又以一等第一名在水师学堂毕业！ 11月，被派往“扬武号”兵舰，随英籍教官泰勒实习，可没过多久，又被召回船厂任教习。
1884年6月（清光绪十年五月），法国海军舰队侵犯台湾基隆炮台，遭到台湾巡抚刘铭传率部反击，法军败退，又窜至福建沿海海面进行骚扰。8月，法将孤拔率舰5艘袭击福州马尾炮台和船厂。“扬武号”兵舰奋起反击，在“扬武号”上的詹天佑与留美同学黄季良、吴其藻等人开炮还击。后来“扬武号”寡不敌众，被孤拔舰炮火重创起火，詹天佑等人仍继续抵抗，直至火势猛烈，管带下令船上学生迅速撤离时，詹天佑才跳下水。此次海战中，詹天佑表现最为勇敢、镇定、最有胆略，在“扬武号”临危时，还救活多人。据上海英商所办《字林西报》报道：“这次中、法的海战，约经5小时3刻钟。西方人士料不到中国人会这样勇敢力战。‘扬武号’兵舰上的学生5人中以詹天佑的表现最为感人。他临大敌而毫无畏惧，并且在生死存亡的紧急关头，还镇定如常，鼓其余勇，由水中救起多人。”
两广总督张之洞是著名的洋务派首领之一，很注意延揽新人才。他打算在广东建立一支海军，以便与北洋水师抗衡，11豆且因此想测绘一幅中国沿海形势图。1884年（清光绪十年），他咨调詹天佑到广东，在广东博学馆（又称实学馆，是历届两广总督贮存培养洋务人才的地方）担任英文教习。在那里，詹天佑用所学的西洋测绘技术，在一年内，就迅速完成了张之洞交给他的任务，绘制了广东沿海险要图。1886年（清光绪十二年），张之洞将博学馆改成水陆师学堂，詹天佑在那里担任英文教习。
1887年3月，26岁的詹天佑在澳门与谭伯村的四女儿谭菊珍结婚。婚后，家庭生活很美满。
由于满清统治者的昏庸腐败，从1881年（清光绪七年）詹天佑学成回国直至1888年（清光绪十四年），他的老同学邝孙谋推荐他出任唐津铁路工程师为止的7年间，詹天佑就这样在用非所学的情况下，虽有报国之心，却无效力之路。