В 1763 году к Джеймсу Уатту, обратился профессор физики университета Глазго Джон Андерсон с просьбой отремонтировать действующий макет паровой машины Ньюкомена (имелась в виду «огневая машина», изобретённая английским инженером Томасом Ньюкоменом), который на самом деле никогда нормально не работал. Макет был оснащен 2-дюймовым цилиндром и имел рабочий ход поршня в 6 дюймов. Уатт провел ряд экспериментов. В частности, заменил металлический цилиндр на деревянный, смазанный льняным маслом и высушенный в печи, уменьшил количество поднимаемой за один цикл воды и макет, наконец, заработал. При этом Уатт убедился в неэффективности машины и внёс в конструкцию многочисленные усовершенствования. Первым значительным усовершенствованием, была изолированная камера для конденсации.

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.