年少時(shí)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(fā)明了蒸汽機(jī)。而事實(shí)上正真的發(fā)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(shí)代做過鍛工。17世紀(jì)80年代同卡利合伙經(jīng)營鐵器，后來共同研制蒸汽機(jī)，并于1705年取得“冷凝進(jìn)入活塞下部的蒸汽和把活塞與連桿聯(lián)接以產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)”的專利權(quán)。此后，紐科門繼續(xù)改進(jìn)蒸汽機(jī)，于1712年首次制成可供實(shí)用的大氣式蒸汽機(jī)，被稱為紐科門蒸汽機(jī)。這臺(tái)蒸汽機(jī)的汽缸活塞直徑為30.48厘米,每分鐘往復(fù)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(xué)的教授提供的一個(gè)機(jī)會(huì)，讓他在大學(xué)里開設(shè)了一間小修理店，瓦特的小店開業(yè)4年后，在朋友羅賓遜教授的引導(dǎo)下，瓦特開始了對蒸汽機(jī)的實(shí)驗(yàn)。直到此時(shí)，瓦特也還從未親眼見過一臺(tái)可以運(yùn)轉(zhuǎn)的蒸汽機(jī)，但是他開始建造自己的蒸汽機(jī)模型。初步的實(shí)驗(yàn)失敗了，但是他堅(jiān)持繼續(xù)實(shí)驗(yàn)并且閱讀了所有他能找到的有關(guān)蒸汽機(jī)的材料，獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)了潛熱的重要性(盡管這在好幾年前就被布萊克教授發(fā)現(xiàn)了，但瓦特當(dāng)時(shí)并不知情)。1763年，瓦特得知格拉斯哥大學(xué)有一臺(tái)紐科門蒸汽機(jī)，但是正在倫敦修理，他請求學(xué)校取回了這臺(tái)蒸汽機(jī)并親自進(jìn)行了修理。修理后這臺(tái)蒸汽機(jī)勉強(qiáng)可以工作，但是效率很低。經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)，瓦特發(fā)現(xiàn)效率低的原因是由于活塞每推動(dòng)一次，氣缸里的蒸汽都要先冷凝，然后再加熱進(jìn)行下一次推動(dòng)，從而使得蒸汽80%的熱量都耗費(fèi)在
維持氣缸的溫度上面。1765年，瓦特取得了關(guān)鍵性的進(jìn)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(xù)維持在注入的蒸汽的溫度，并在此基礎(chǔ)上很快建造了一個(gè)可以運(yùn)轉(zhuǎn)的模型。
但是要想建造一臺(tái)實(shí)際的蒸汽機(jī)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(yè)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(jī)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(dāng)時(shí)的工藝水平下鋼鐵工人更像是鐵匠而不是機(jī)械師，所以制造的結(jié)果很不滿意。此外由于當(dāng)時(shí)的相關(guān)專利申請需要國會(huì)的認(rèn)可，大部分的資金都花費(fèi)在相關(guān)程序上。由于資金的短缺，瓦特不得不另找了一份運(yùn)河測量員的工作，并一干就是8年。這之后，羅巴克破產(chǎn)，相關(guān)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(dá)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(shè)備資金以及技術(shù)上的支持，特別是在加工制造工藝方面。新型蒸汽機(jī)制造的一個(gè)主要困難在于活塞與大型氣缸的密合，這個(gè)問題最終被約翰?威爾金森(John Wilkinson)解決，他在改進(jìn)加農(nóng)炮的制造時(shí)提出了一種新的精密鏜孔加工技術(shù)，可以用于蒸汽機(jī)的制造。終于在1776年，第一批新型蒸汽機(jī)制造成功并應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。這批蒸汽機(jī)由于還只能提供往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)而主要應(yīng)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(gè)礦場之間安裝由這種新型蒸汽機(jī)帶動(dòng)的水泵。
在博爾頓的要求下，瓦特開始繼續(xù)研究如何將蒸汽機(jī)的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為圓周運(yùn)動(dòng)，以便使得蒸汽機(jī)能為絕大多數(shù)機(jī)器提供動(dòng)力。一個(gè)顯而易見的解決辦法是通過曲柄傳動(dòng)，但是該項(xiàng)專利所有人，約翰?斯蒂德(John Steed)要求同時(shí)分享瓦特此前的分離冷凝器的專利，這一要求被瓦特堅(jiān)決地拒絕了。1781年，瓦特公司的雇員威廉?默多克(William Murdoch)發(fā)明了一種稱為“太陽與行星”的曲柄齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，并以瓦特的名義成功申請了專利。這一發(fā)明繞開了曲柄專利的限制，極大地?cái)U(kuò)展了蒸汽機(jī)的應(yīng)用。
之后的6年里，瓦特又對蒸汽機(jī)作了一系列改進(jìn)并取得了一系列專利：發(fā)明了雙向氣缸，使得蒸汽能夠從兩端進(jìn)出從而可以推動(dòng)活塞雙向運(yùn)動(dòng)，而不是以前那樣只能單向推動(dòng)；使用節(jié)氣閥門與離心節(jié)速器來控制氣壓與蒸汽機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)；發(fā)明了一種氣壓示工器來指示蒸汽狀況；發(fā)明了三連桿組保證氣缸推桿與氣泵的直線運(yùn)動(dòng)。由于擔(dān)心爆炸的危險(xiǎn)以及泄露問題，瓦特的早期蒸汽機(jī)都是使用低壓蒸汽，后來才引進(jìn)了高壓蒸汽。所有這些革新結(jié)合到一起，使得瓦特的新型蒸汽機(jī)的效率是過去的紐科門蒸汽機(jī)的5倍
