瓦特在修理一臺紐可門蒸汽機的過程中，發現了舊式機器效率低的主要原因：原來每次衝程冷水冷卻汽缸的過程會造成熱量的消耗，絕大部分蒸汽被白白浪費。因此，瓦特認為，如果在汽缸外加上絕熱外套讓蒸汽保持所必須具有的溫度，或者讓作功後的蒸汽儘快冷卻，這樣就可以提高熱機的效率。

　　後來，瓦特意識到蒸汽在缸內冷凝最終導致了蒸汽機熱效率低，那如果將蒸汽在缸外冷凝不就解決難題了嗎?於是瓦特分離冷凝器的最初設想產生了。瓦特設計蒸汽機的道路充滿坎坷，根據分離冷凝器的設想，瓦特設計了一種帶有分離冷凝器的蒸汽機，然而其效果卻並不如人意。其效率遠遠沒能達到瓦特的預想，而這次失敗已經讓瓦特身陷困境，債臺高築。

　　不過此時瓦特認識了化工技師羅巴克，羅巴克表示支援瓦特的實驗。此後的三年，瓦特戰勝重重困難，最終於1769年製造出了第一臺樣機，同時，瓦特還發明瞭冷凝器，使他獲得了在革新紐可門蒸汽機過程中自己的第一項專利。沒想到由於這種蒸汽機的銷售不佳，羅巴克竟瀕於破產。所幸這時工程師兼企業家博爾頓又開始與瓦特合作。但是，此後研發生產的蒸汽機不但改進不大，而且耗費了巨資。博爾頓也不堪忍受如此大的壓力，到了瀕臨破產的地步。

此時，瓦特意識到自己所面臨的難題已經不再是熱效率低，而是活塞往返運動只能呈直線狀態。隨後，瓦特受到行星繞日圓周運動的啟發，他將活塞往返的直線運動變為旋轉的圓周運動，同時還在輪軸上加裝了一個飛輪，這樣蒸汽機成就了可以帶動一切工作機的動力機。

　　1781年底，瓦特因發明帶有齒輪和拉桿的機械聯動裝置榮獲了自己的第二個專利。

　　為了進一步提高蒸汽機的效率，瓦特在發明齒輪聯動裝置之後，對汽缸本身進行了研究，發現他的蒸汽機中蒸汽推動活塞的衝程工藝與紐可門蒸汽機沒有不同，兩者的蒸汽都是單項運動，從一端進入、另一端出來。

　　他想，如果讓蒸汽能夠從兩端進入和排出，就可以讓蒸汽既能推動活塞向上運動又能推動活塞向下運動，那麼，他的效率就可以提高一倍。1782年，瓦特根據這一設想，試製出了一種帶有雙向裝置的新汽缸，由此瓦特獲得了他的第三項專利。把原來的單向汽缸裝置改裝成雙向汽缸，並首次把引入汽缸的蒸汽由低壓蒸汽變為高壓蒸汽，這是瓦特在改進紐可門蒸汽機的過程中的第三次飛躍。透過這三次技術飛躍，紐可門蒸汽機完全演變為了瓦特蒸汽機。

　　由於瓦特把蒸汽機的往復直線運動變成為連續而均勻的圓周運動，從而可以經過傳動裝置帶動一切機器運轉，成為能普遍用於工業和交通運輸業的“萬能動力機”。這種高效率的蒸汽機很快取代了舊式的蒸汽機，被各工業部門迅速採用。從此，動力機、傳動機和工作機組成了機器生產系統，成為產業近代化的核心。