年少時總聽到這樣的故事：有一天瓦特看到燒開的水壺的蓋子被不斷的頂起來，于是發明了蒸汽機。而事實上正真的發明者是英國工程師紐科門。

紐科門幼年僅受過初等教育，少年時代做過鍛工。17世紀80年代同卡利合伙經營鐵器，后來共同研制蒸汽機，并于1705年取得“冷凝進入活塞下部的蒸汽和把活塞與連桿聯接以產生運動”的專利權。此后，紐科門繼續改進蒸汽機，于1712年首次制成可供實用的大氣式蒸汽機，被稱為紐科門蒸汽機。這臺蒸汽機的汽缸活塞直徑為30.48厘米,每分鐘往復12次，功率為5.5馬力。但熱效率低，燃料消耗量大，僅適用于煤礦等燃料充足的地方。

而瓦特呢？直到1757年，瓦特才得到了格拉斯哥大學的教授提供的一個機會，讓他在大學里開設了一間小修理店，瓦特的小店開業4年后，在朋友羅賓遜教授的引導下，瓦特開始了對蒸汽機的實驗。直到此時，瓦特也還從未親眼見過一臺可以運轉的蒸汽機，但是他開始建造自己的蒸汽機模型。初步的實驗失敗了，但是他堅持繼續實驗并且閱讀了所有他能找到的有關蒸汽機的材料，獨立地發現了潛熱的重要性(盡管這在好幾年前就被布萊克教授發現了，但瓦特當時并不知情)。1763年，瓦特得知格拉斯哥大學有一臺紐科門蒸汽機，但是正在倫敦修理，他請求學校取回了這臺蒸汽機并親自進行了修理。修理后這臺蒸汽機勉強可以工作，但是效率很低。經過大量實驗，瓦特發現效率低的原因是由于活塞每推動一次，氣缸里的蒸汽都要先冷凝，然后再加熱進行下一次推動，從而使得蒸汽80%的熱量都耗費在

維持氣缸的溫度上面。1765年，瓦特取得了關鍵性的進展，他想到將冷凝器與氣缸分離開來，使得氣缸溫度可以持續維持在注入的蒸汽的溫度，并在此基礎上很快建造了一個可以運轉的模型。

但是要想建造一臺實際的蒸汽機還有很長的路要走。首先是資金，布萊克教授提供了一些幫助，但更多的資助來自于約翰?羅巴克(John Roebuck)。羅巴克是一位成功的企業家，著名的卡倫鋼鐵廠的擁有者，在羅巴克的贊助下，瓦特開始了新式蒸汽機的試制，并成為新公司的合伙人。試制中的主要困難還在于活塞與氣缸的加工制造工藝上。當時的工藝水平下鋼鐵工人更像是鐵匠而不是機械師，所以制造的結果很不滿意。此外由于當時的相關專利申請需要國會的認可，大部分的資金都花費在相關程序上。由于資金的短缺，瓦特不得不另找了一份運河測量員的工作，并一干就是8年。這之后，羅巴克破產，相關專利都由伯明翰一間鑄造廠老板馬修?博爾頓接手。瓦特與博爾頓從此開始了他們之間長達25年的成功合作。

與博爾頓的合作，使得瓦特得到了更好的設備資金以及技術上的支持，特別是在加工制造工藝方面。新型蒸汽機制造的一個主要困難在于活塞與大型氣缸的密合，這個問題最終被約翰?威爾金森(John Wilkinson)解決，他在改進加農炮的制造時提出了一種新的精密鏜孔加工技術，可以用于蒸汽機的制造。終于在1776年，第一批新型蒸汽機制造成功并應用于實際生產。這批蒸汽機由于還只能提供往復直線運動而主要應用于抽水泵上。在之后的5年中，瓦特贏得了大量的訂單并忙于奔波于各個礦場之間安裝由這種新型蒸汽機帶動的水泵。

在博爾頓的要求下，瓦特開始繼續研究如何將蒸汽機的直線往復運動轉化為圓周運動，以便使得蒸汽機能為絕大多數機器提供動力。一個顯而易見的解決辦法是通過曲柄傳動，但是該項專利所有人，約翰?斯蒂德(John Steed)要求同時分享瓦特此前的分離冷凝器的專利，這一要求被瓦特堅決地拒絕了。1781年，瓦特公司的雇員威廉?默多克(William Murdoch)發明了一種稱為“太陽與行星”的曲柄齒輪傳動系統，并以瓦特的名義成功申請了專利。這一發明繞開了曲柄專利的限制，極大地擴展了蒸汽機的應用。

之后的6年里，瓦特又對蒸汽機作了一系列改進并取得了一系列專利：發明了雙向氣缸，使得蒸汽能夠從兩端進出從而可以推動活塞雙向運動，而不是以前那樣只能單向推動；使用節氣閥門與離心節速器來控制氣壓與蒸汽機的運轉；發明了一種氣壓示工器來指示蒸汽狀況；發明了三連桿組保證氣缸推桿與氣泵的直線運動。由于擔心爆炸的危險以及泄露問題，瓦特的早期蒸汽機都是使用低壓蒸汽，后來才引進了高壓蒸汽。所有這些革新結合到一起，使得瓦特的新型蒸汽機的效率是過去的紐科門蒸汽機的5倍