Успехи Уайта в создании парового двигателя собственной конструкции основывались в установлении теоретической зависимости между давлением, температурой и объемом пара, а также в количестве теплоты, необходимом для превращения единицы жидкости в пар той же температуры.

5 янв. 1769 г. Уайтом был получен патент, в котором указывалось, что для получения полезной работы следует использовать упругое давление пара, а не атмосферное давление. Таким образом, Уайт предлагал заменить атмосферную паровую машину на машину прямого действия.

При материальной поддержке доктора Ребека, основателя первого металлургического завода в Шотландии, Уатт построил свою первую машину. Модель оказалась неудачной, и сотрудничество с Ребеком прервалось

Финансовые трудности вынудили Уатта уже в зрелом возрасте проводить геодезические изыскания, работать на строительстве каналов, сооружать порты и пристани, но Уатт продолжал работать над совершенствованием паровой машины. Денежное положение Уатта выровнялось после того, как он вступил в деловые отношения с Мэтью Болтоном, инженером и богатым фабрикантом, владельцем металлообрабатывающего завода в местечке Сохо близ Бирмингема. В 1775 Уатт и Болтон заключили соглашение о партнерстве. В это время Уатту поступает предложение от Российской академии наук работать в России. Предложенное материальное содержание было и велико, и крайне ему необходимо. Намерение Уатта уехать в Россию вызвало переполох. Поэт Эразм Дарвин написал: «О Боже, как я был напуган, когда услышал, что русский медведь зацепил Вас своей громадной лапой и тянет в Россию! Умоляю не ездить, если только это возможно… Я надеюсь, что Ваша огненная машина оставит Вас здесь». Болтон, понимая какую выгоду может принести изобретения Уатта, сделал всё возможное, чтобы Уатт остался на родине.

В 1781 Уатт получил патент на изобретение второй усовершенствованной модели своей машины. Машина имела вертикальный цилиндр, в котором пар попеременно оказывал давление на поршень то с одной, то с другой его стороны также был применен центробежный регулятор, автоматически поддерживавший заданное число оборотов.

Вместе с более мелкими усовершенствованиями это изобретение позволило увеличить производительность паровой машины в четыре и более раз. Кроме того, сама машина стала легко управляемой. Паровую машину стали применять на заводах и фабриках в качестве привода, что привело к резкому повышению производительности труда. Но ученый на этом не остановился. Он изобрел шарнирный механизм — «параллелограмм Уатта» (называется так потому, что часть звеньев — рычагов — входящих в его состав, образует параллелограмм), который преобразовывал возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение главного вала. Теперь ткацкие станки могли работать непрерывно. На смену водяному колесу пришел новый источник энергии.

Созданная Уаттом универсальная паровая машина сыграла большую роль в переходе к машинному производству. Уайту удалось не только создать свою паровую машину, но и проявить свои деловые качества, организовав их производство. Построив свой двигатель и продавая, его Уайт столкнулся с задачей при финансовых расчетов с предпринимателями, сколько можно освободить его паровая машина при трудоемкой откачки воды из каменоугольной шахты. Не нашлось ничего лучше, как сравнивать ее в сравнении с лошадиной силой.

В 1785 году Уатт запатентовал изобретение новой топки котла, и в этом же году одна из машин Уатта была установлена в Лондоне на пивоваренном заводе Сэмюэла Уитбреда для размалывания солода. Машина выполняла работу 24 лошадей. Машина сохранилась до наших дней.

Легенда гласит, что однажды Уайт решил предложить купить свою паровую машину одному местному пивовару Вильтбреду. Изобретатель предложил пивовару установить на его заводе машину, которая будет подавать воду из протекавшей рядом реке.

- Согласен, - заявил пивовар, - только при одном условии, что твоя машина полностью заменит одну лошадь.

- За это ручаюсь, - ответил Уайт.

После этого каждый стал готовиться к соревнованию. Уайт готовить машину, которая должная заставляла бы качать насос, а пивовар выбрал на конюшне самую сильную лошадь, освободил ее от всякой работы и велел ее хорошо кормить.

И вот в назначенный день состоялось испытание. Лошадь впрягли в насос, и конюх стал ее подгонять. А Уайт включил свою машину, которая приводила в движение точно такой же насос. Испытание длилось целых 8 часов. Когда в конце дня стали сравнивать результаты соревнования, то оказалось, что лошадь была чуть не загнана, а машина работала исправно, как часы. А когда посчитали, то оказалось, что за каждую секунду лошадь выполняла по 70 килограммометров работы. Пивовар понял всю полезность нового изобретения и согласился установить на своем заводе машину, которая приводила в движение насос. Так на заводе был установлен паровой двигатель, который производил 75 килограммометром работы. С тех пор, мощность машин стали измерять в лошадиных силах, приравняв 1 силу к мощности уаттовского двигателя.