Filho de Antônio Pereira Passos, barão de Mangaratiba, e de Clara Oliveira. Até os catorze anos foi criado na Fazenda do Bálsamo, em São João Marcos, atualmente distrito de Rio Claro, no estado do Rio de Janeiro. Em março de 1852 ingressou na então Escola Militar, atual Escola Politécnica da Universidade Federal do Rio de Janeiro - antiga Universidade do Brasil onde se formou em 1856 como Bacharel em Ciências Físicas e Matemáticas o que lhe dava o Diploma de Engenheiro Civil. Foi colega de turma de Benjamin Constant.
Estudou na França de 1857 ao final de 1860, onde assistiu a reforma urbana de Paris promovida por Haussmann.
A estada em Paris exerceu profunda influência em Passos, que iria dedicar-se à engenharia ferroviária e ao urbanismo.
Em sua volta ao Brasil, em 1860, Pereira Passos dedica-se à construção e expansão da malha ferroviária brasileira, sob a demanda da economia cafeeira. Participou da construção da ferrovia Santos-Jundiaí (1867), do prolongamento da Estrada de Ferro D. Pedro II até o São Francisco (1868), foi consultor técnico do Ministério da Agricultura e Obras Públicas (1870).
Voltou à Europa em 1871, na companhia do Barão de Mauá, como inspetor do Governo Imperial. Na Europa, estudou o sistemas ferroviários europeus e se inspirou na estrada de ferro suiça, a que subia o Monte Righi com inclinações de até 20%, para a executar o prolongamento da estrada de ferro da serra de Petrópolis. Sistema que seria ainda usado posteriormente na primeira estrada turística do Brasil, a Estrada de Ferro Corcovado. Dirigiu na mesma época o Arsenal de Ponta da Areia, a convite do Barão de Mauá, produzindo trilhos, vagões, etc.
Foi nomeado engenheiro do Ministério do Império em 1874, cabendo a Pereira Passos acompanhar todas as obras do governo imperial. Integrou a comissão que iria apresentar o plano geral de reformulação urbana da capital, incluindo o alargamento de ruas, construção de grandes avenidas, canalizações de rios entre outras medidas urbanas e sanitárias. O levantamento realizado de 1875 a 1876, seria a base do futuro plano diretor da cidade, posto em prática na administração de Passos como prefeito.
Retornou à Europa em 1880 e permaneceu em Paris até 1881. Neste interim frequenta cursos na Sorbonne e no Collége de France. Visitafábricas, siderúrgicas, empresas de transporte e obras públicas na Europa. Ainda em 1881 torna-se consultor da Compagnie Générale de Chemins de Fer Brésiliens, para acompanhar a construção de uma linha ferroviária no Paraná, ligando o porto de Paranaguá à Curitiba.
No seu retorno ao Brasil, muda-se para o Paraná e somente após a inauguração da ferrovia em 1882, retorna à capital. Em seu retorno, assume a presidência da Carris de São Cristóvão, substituindo Visconde de Taunay. Após restruturar a empresa, em 1804, Pereira Passos propõe aos acionistas a aquisição do projeto do italiano Giuseppe Fogliani, para a construção de uma grande avenida. Apesar da aprovação dos acionistas e da licença para construção obtida, o projeto não saiu do papel. No entanto, essa seria mais uma antecipação do que viria a ocorrer em sua gestão como Prefeito 20 anos depois: a abertura da Avenida Central .
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