蒸汽機是英華人薩維利Savery於1698年、紐可門Newcomen於1705年各自獨立發明的，用於礦井抽水。當時效率很低，1765年，瓦特在修理紐可門機的基礎上，對蒸汽機做了重大改進，使冷凝器與氣缸分離，發明曲軸和齒輪傳動以及離心調速器等，使蒸汽機實現了現代化，大大提高了蒸汽機的效率。

1688年法國物理學家德尼斯·帕潘用一個圓筒和活塞製造出第一臺簡單的蒸汽機，但是該發明沒有運用到工業生產中，十年後，英華人託伊斯·塞維利發明了蒸汽抽水機，主要用於礦井抽水，1705年，紐可門綜合帕潘和塞維利的發明的優點，創造了空氣蒸汽機。

或許很多人認為蒸汽機是瓦特發明的。事實上，蒸汽機算不上是瓦特發明的。因為在瓦特之前，已經有人發明了蒸汽機，雖然實用效能還不是很高。後來，牛考門把蒸汽機用到了煤礦抽水。

然而，牛考門的蒸汽機可以簡單稱為“氣壓機”。這臺機器利用蒸汽的力量製造真空來抽水，可以晝夜不停地運作。然而，蒸汽的產生需要大量的能量來提供，也就是說需要消耗大量的煤，因此也只能用在煤礦開採上，畢竟近水樓臺，煤礦豐富。

牛考門的蒸汽機，需要將冷水灌入汽缸中，冷凝其中的水蒸氣。但在蒸汽冷凝過程中，汽缸本身的溫度也降低了。這就需要更多燃料來反覆加熱汽缸，造成巨大的能耗。

1764年，瓦特被派去修理一臺牛考門的蒸汽機，在這期間瓦特便是研究如何改良蒸汽機。說起瓦特與蒸汽機的良緣，不得不提瓦特與水壺的故事。相傳在瓦特小時候，燒水時看到水壺裡噴出來的蒸氣，把壺蓋子頂的發出格登格燈的響聲，使得他與蒸汽機結下了良緣。

瓦特認為，要製造出完美的蒸汽發動機，就要保持汽缸和蒸汽的溫度始終一致。但為了充分發揮其威力，蒸汽的溫度需要降到100攝氏度之下。所以，瓦特將冷凝過程分離了出來。

在瓦特改進蒸汽機的研究中，用得最多的便是“水壺”。他將一根玻璃彎管一頭插入水壺嘴中，另一頭插入裝滿冷水的實驗杯中，結果發現水壺中的水沸騰的時候，冷水杯中的水雖然只有少量增加，但水溫有明顯升高。這便是蒸汽冷凝過程中的潛熱，即水蒸氣變成液態水過程中釋放的熱量。

1765年，瓦特發明了分離式冷凝器，這一改良在蒸汽機的發展中起到了關鍵作用。瓦特初步改良的蒸汽機，效率是牛考門氣壓機的4倍。但是，瓦特覺得效率還是不高，經過不斷改進試驗，瓦特先後將齒輪、離心式調速器、壓力計等儀器安裝到蒸汽機上，大大提高了蒸汽機的實用性和便捷性。